空间定位几种常用的空间定位技术

一、激光测距的基本原理
1.激光
激光LASER（Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation） 是指光的受激辐射以实现光放大。
• 当激光物质处于粒子数反转分布状态 时，由自发辐射而产生的光子将引起 其它原子受激跃迁，从而使光得到受 激放大。
整个测距仪是由： （1）激光器 （2）望远镜 （3）光电头 （4）脉冲测量系统 （5）时频系统 （6）伺服系统 （7）计算机等部分组成
的
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§4.3、激光测卫和激光测月
四、激光测距观测值误差改正
1）测距仪仪器常数改正
– 不同仪器之间的常数改正
– 地面大气延迟改正
2）观测时间改正△t= △t1+ △t2+ △t3
ห้องสมุดไป่ตู้
• 在光学谐振腔内沿腔轴方向传播的光 受安置在两端的反射镜反射而往返传 播，在此过程中不断引起其他原子的 受激跃迁，产生同频率的光子，使光 迅速放大。
• 与腔轴不平行的光则在往返几次后逸 出腔外，从而形成方向性极好的激光。
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§4.3、激光测卫和激光测月
• 激光具有下列特点 ⑴高功率激光器的输出功率可达GW级。 ⑵激光的谱线很窄，便于在接收系统中用窄带滤
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§4.3、激光测卫和激光测月
二、激光测距卫星(续) 2、非专用卫星 • ATS-6 • 海洋卫星Seasat-1 • 海洋地形试验卫星
Topex/Poseidon • 部分GPS卫星等。
这些卫星之所以安 装激光反射棱镜，主要 是把激光测距也作为一 种定轨的手段。
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ATS-6
Tope x
Seasat-1 GPS卫星
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§4.3、激光测卫和激光测月
三、人卫激光测距仪
1 激光仪分类
1)按激光类型来分
• 脉冲式
• 相位式激光测距仪：是用无线 电波段的频率，对激光束进行 幅度调制并测定调制光往返测 线一次所产生的相位延迟，再 根据调制光的波长，换算此相 位延迟所代表的距离。即用间 接方法测定出光经往返测线所 需的时间，如右下图所示。
脉冲宽度2～5ns，测距精度为 30～100cm,多数采用了脉冲分析法 第三代：
脉冲宽度为0.1～0.2ns,测距精度 为1～3cm，多数采用锁模Nd:YAG 激光器 。能在计算机控制下实现对 卫星的自动跟踪和单光子检测技术。
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§4.3、激光测卫和激光测月
三、人卫激光测距仪 2.人卫激光测距仪的结构
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3、激光测月的激光观测站
光片来消除天空背景的噪声，从而大大提高信 噪比。 ⑶激光的发散角极小，在很远的距离上光能量仍 能集中在一个很小的范围内，有的激光测距系 统发散角只有2″，在月球表面上光斑直径也只 有4km。
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§4.3、激光测卫和激光测月
一、激光测卫测距原理
2、原理
用安装在地面测站的激光测 距仪向安装了后向反射棱镜的 激光卫星发射激光脉冲信号， 该信号被棱镜反射后返回测站， 精确测定信号的往返传播时间， 进而求出仪器到卫星质心间的 距离的方法和技术称为卫星激 光测距或激光测卫 （SLR:Satellite Laser Ranging) 。目前的测距精度
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Lunakhod 2
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3、激光测月的激光观测站
• 美国Texas州的McDonald 天文台
• 美国Hawaii州的Haleakala 天文台
• 法国的Grasse观测站 • 澳大利亚Orrorral站 • 德国的Wettzell观测站
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3、激光测月的激光观测站
• 美国Texas州的McDonald天文台
空间大地测量理论基础
第四章、几种常用的空间定位技术(2)
B A
S2 S1 B
A
S1
S2
S3 S4
B
A
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1
第四章、几种常用的空间定位技术(2)
§4.1、甚长基线干涉测量 §4.2、人卫摄影观测 §4.3、激光测卫和激光测月 §4.4、多普勒定位（Transit,DORIS） §4.5、卫星测高
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§4.3、激光测卫和激光测月
△t1为工作钟与标准时间之间的差异；
△t2为工作钟取样时刻和激光脉冲信号的发射时刻之间的 差异，也称为触发延迟改正
△t3为信号传播时间改正，从激光脉冲离开测距仪至到达 卫星间的时间，△t3=S/c
3）大气延迟改正
4）卫星上的反射棱镜偏心改正
5）潮汐改正
6）相对论改正
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五、SLR的用途现状及前景
t=φ/ω，
D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω
=c/(4πf) (Nπ+Δφ)=c/4f
(N+ΔN)
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§4.3、激光测卫和激光测月
三、人卫激光测距仪 1 激光仪分类（续） 2）根据其构造及精度大体可以分为三
代 • 第一代
脉冲宽度在10～40ns，测距精度 约为1—6m。多数采用带调Q开关的 红宝石激光器。 • 第二代：
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美国：Mcdonald
德国：GFZ
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2、用途
1）确定地心坐标， 绝对定位精度很高。
2）定轨
3）测定极移、地球 自转、板块运动、 地壳形变等
4）确定地球重力场
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§4.3、激光测卫和激光测月
六、激光测月（LLR)
Lunar Laser Ranging
1、原理
用大功率激光测距
仪向安置在月球表面上
1、激光测卫站
1）中国已经建立的武汉、上海、长春、北京和昆明 等5个激光测卫站。
2）流动激光测卫站：乌鲁木齐，拉萨
长春
TROS, Urumqi, China
北京
武汉
上海
TROS, Lhasa, Tibet
昆明
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1、激光测卫站
2）国际上
目前在工作的SLR站如图所示，图中红色三角形 测站表示正在工作的测站，大约有44个站。
可达1cm左右
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§4.3、激光测卫和激光测月
一、激光测卫（SLR) 2、原理(续) D=C.⊿t/2+ ⊿D ⊿D为测距改正数
激光测 距仪
带反射棱镜的 激光卫星
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§4.3、激光测卫和激光测月
二、激光测距卫星
1、激光测距专用卫星 • Lageos卫星 • Starlette卫星
Starlette
的反射棱镜发射激光脉
冲信号，测定信号的往
返传播时间，进而求出
仪器到反射棱镜之间距
离的方法和技术称为激
光测月。
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§4.3、激光测卫和激光测月
2、月球表面上的反射棱镜
L1 A15 L2 A11 A14
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Apollo-11
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Apollo-14
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Apollo-15
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Lunakhod 1