5、激光测卫与激光测月

第五章 SLR和LLR原理及应用
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目录：
一、引言 二、激光测卫 三、激光测月
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5.1 引言
20世纪60年代初，美国Mainman在实验室成功研制出世界上第一台 红宝石激光器，它具有下述特点： 激光器输出的功率可以达到吉瓦量级，单位面积上的光能密度 可高于太阳表面，作用距离到达几万公里高处的人造地球卫星甚 至三十八万公里外的月球表面； 激光的谱线都非常尖锐，半宽为5A°左右，有利于在接收系统 中采用窄带滤光片来消去天空背景噪声，提高观测信噪比； 激光器输出的光束发散角非常小，在1mrad左右，通过光学系统 准直，发散角可进一步被压缩，因此在很远距离上，光能量仍然 集中在很小的范围内； 脉冲激光器的激光脉冲宽度可以达到很小的量级，而脉宽是决 定测距精度的主要因素之一，因而激光测距的精度可以达到很高 的精度。
激光测距仪 带反射棱镜的激光 卫星
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5.1 引言
5.1.2 激光测距系统
激光测距系统主要包括： 地面部分 包括了激光发生系统、激光光学发射和接收系统、光学系统转 台、激光脉冲接收处理系统、时间间隔计数器、时间系统，标校 系统、计算机控制记录系统、基石、电源系统、保护系统，最后 为数据传输系统。 空间部分 空间部分为带后向反射镜的卫星。
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5.1 引言
5.1.1 激光测距原理
人卫激光测距，实际上就是利用时间间隔计数器测量激光脉冲在 地面激光发射站与卫星反射器之间的传播时间，再经过光速转换 为距离。简单的公式可表示为：
d= ∆t c 2
其中d为人卫激光测距仪与卫星后向反射镜之间的距离，t 为时间 ∆ 间隔计数器记录的激光脉冲从发射到接收的时间间隔，c为光速
Hale Waihona Puke 月球激光测距精度历史变迁12
5.3 激光测月
5.3.1 激光测月简介
1）月球潮汐的测量
月球在潮汐力的作用下产生的弹性形变也用勒夫数来表示 。 月球潮汐二阶项振幅是最强的，由其导致的形变对形变勒 夫数h2和l2最大，而月球自转变化对引力位勒夫数k2最敏 感。 事实上激光测月观测距离对k2更敏感。 2004年Williams、Boggs、 和 Ratcliff利用1970年至2003 年的激光测月资料解算得到月球勒夫数为：
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5.3 激光测月
5.3.1 激光测月简介
1969年7月21日阿波罗11号登月成功，Armstrong将第一个激 光后向反射器Apollo11放置在月面预定位置上； 随后美国叉放置了Apollo l4和Apollo 15激光反射器； 前苏联登月舱也在月面放置了Lunakhod 1和Lunakhod 2反射 器； 目前，国际上经常进行激光测月的有： 美国的McDonald天文台； Haleakala天文台； 法国的Grasse观测站； 澳大利亚的Orrorral观测站； 德国的Wettzell观测站； 我国云南天文台激光测距系统也具备测月的能力。
3）月面位置坐标
目前月球探测又成为全球热点，计划中的登月项目将会给 利用月面激光后向反射镜的精确坐标带来更多的机会。 这几个激光后向反射镜是现今所知的最精确的月面坐标点 ，作为月面大地测量的控制点，将有望在不远的将来得以 扩展。
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5.3 激光测月
5.3.1 激光测月简介
4）引力常数变化测定
月球轨道运行非常稳定，激光测月得到的月球轨道特别有利 于确定引力常数； 目前测定引力常数G的时间变化每年小于：3×10e-11。
（2）测定地壳形变
1979年，NASA利用圣安德烈斯断层两侧 SLR观测，计算出其基线 的变化率为9±3厘米/年； 随后Taplay等人在研究全球SLR资料中给出了五条基线的变化率；
（3）测定地球重力场及其变化
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5.3 激光测月
5.3.1 激光测月简介
月球质量巨大，距离也远， 绕地球运行轨道也特别稳定， 有利于地球动力学方面的研究； 月球体积巨大，在其表面可 以放置多个激光后向反射镜， 有利于研究月球本身的动力学 性质；
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5.3 激光测月
5.3.1 激光测月简介
现状
目前激光测月资料累积已 超过38年，为月球本身、 地月系、地球动力学、日 地系的相关研究提供了丰 富的资料； 早期激光测月资料主要用 于研究月球轨道、月球引 力场系数、惯量矩、月球 自由天平动、月球轨道潮 汐能量耗散、地心引力常 数、地球自转参数等，已 取得众多的成果 ； 现在随着高精度观测资料 出现，用激光测距资料可 开展更深入的研究。
k2 = 0.0227 ± 0.0025 h2 = 0.039 ± 0.010
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5.3 激光测月
5.3.1 激光测月简介
2）月球液核的研究
通过激光测月资料对月球能量耗散分析，显示月球存在一 个较小的液核。 由于液核的存在，导致液核和核幔边界之间的潮汐耗散， 同时液核的存在及月球的自转导致液核存在扁率边界，进 而使得k2变小。 有关月球液核、核幔边界、核幔边界扁率、固体内核研究 正进一步展开。
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5.1 引言
5.1.2 激光测距系统
表5-1 部分激光卫星的主要参数
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5.2 激光测卫
发展历史
（1）测定地球自转参数
1972年，Smith等人曾先应用SLR资料求解了纬度变化，精度约为 0.03； 1978年Schutz, Smith等人直接求解了极移； 1980年国际天文学联合会（IAU）和国际大地测量与地球物理联 合会（IUGG）组织了MERIT联测，新技术的精度比经典方法提高1— 2个数量级； 至1988年1月1日起，地球自转服务（IERS）就主要依靠VLBI、 SLR、LLR和GPS技术来维持； 与此同时，一些与地球自转相联系的问题也因此得到了深入研究；
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第五章结束
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5）等效原理
等效原理是爱因斯坦引力理论的基础，可通过检验月球和地 球在太阳引力场的加速度是否相同来验证等效原理； 如果等效原理有效，月球轨道将沿地球太阳连线变化，产生 一个周期为29.53天的距离变化信号。 激光测月分析显示月球和地球受太阳引力加速相同度为 Δacceleration/ acceleration=(-1.0±1.4) ×10e-13。
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5.1 引言
5.1.2 激光测距系统
激光测卫系统改进主要在以下几方面： （1）脉宽压缩，有利于提高观测精度； （2）激光重复率提高，脉冲串发射，有利于提高观测资料度； （3）多色激光器系统，有利于大气折射改正； （4）高精度偏心标定，包括地面和卫星； （5）转台系统改正，有利于观测稳定； （6）白天观测技术，有利于增加观测弧段； 6 （7）时间同步精度提高，以满足相应的精度需求； （8）单光子接收技术，提高接收成功率； （9）更多的可供观测的卫星，更多的地面站及更合理的分布； （10）观测自动化。
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5.1 引言
1964年10月美国通用电器公司和戈达德飞行中心（GFSC）先后 成功的利用红宝石激光器测到了由美国宇航局（NASA）于当月发 射的世界上第一颗带激光后向反射镜的人造地球卫星---探险者 22号（BE—B）的距离。 1969年11月，阿波罗11号载人宇宙飞船在月球登陆，Neil Armstrong在月面上放置了第一个月球后向反射镜。