卫星激光测距综述

1卫星激光测距技术综述摘要：卫星激光测距是目前精度最高的绝对定位技术。SLR在各方面有着广泛的应用。本文全面介绍了卫星激光测距的发展、原理、测量系统，数据处理，以及其应用。有助于我们更全面了解卫星激光测距技术。关键词：卫星激光测距中图分类号：P228文献标识码：B卫星激光测距,也成激光测卫(SatelliteLaserRanging,SLR)是利用安置在地面上的卫星激光测距系统所发射的激光脉冲，跟踪观测装有激光反射棱镜的人造地球卫星，以测定测站到卫星之间的距离的技术和方法。60年代初由美国宇航局(NASA)发起。经过30多年的发展，SLR已取得了巨大的成绩。观测的精度由最初第一代的几米，提高到现在第三代的几厘米甚至毫米，目前，它是卫星单点定位中精度最高的一种，精度可达1cm。利用该技术，可精确测定地面测站的地心坐标、长达几千千米的基线长度、卫星的精确轨道参数、地球自转参数、地心引力常数、地球重力场球谐系数、潮汐参数以及板块运动和地壳升降速率等。观测站现分布于全球近30个国家的40多个观测台站，观测的卫星现已经到到几十颗。1基本原理所谓激光，是指光的受激辐射，它可以实现光的放大。激光具有高能，谱线很窄，发射角小，激光脉冲宽度量级小等特点。激光测距的原理就是使用激光地面测站上的激光测距仪向激光卫星发射激光脉冲信号，该信号被棱镜反射后返回地面测站，精确测定激光脉冲信号往返传播的时间，进而计算出卫星质心到测站仪器中心的距离。在计算过程中，还应对大气中的光速值和卫星的质心等进行精确的修正，并对测量中的光路和电气系统的时延等进行严格的标定。具体来说，激光器能够经过一定的时间产生脉冲信号（例如每秒产生10个）。这些脉冲信号的宽度很窄（如1ps即10-10s）。这些脉冲信号通过发射望远镜发往卫星，与此同时上述信号也分流至计时器，形成开始计数的信号。脉冲信号到达安置在卫星表面上的后向反射棱镜后沿原路返回测距仪，计时器收到关闭信号后计数器立刻停止计数。将计数器所记录的振荡次数除了振荡频率后即可得信号往返传播的时间。从激光测距仪中心至卫星质心间的距离为：212dct式中c为真空中光速取得299792.458km/s图1激光测卫示意图2激光测距仪根据其构造及精度分：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：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。整个测距仪是由激光器，望远镜，光电头，脉冲测量系统，时频系统和计算机等部分组成的。（1）激光器目前用作测距的激光器大体有红宝石激光器和掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）两类。（2）望远镜激光测距仪中的望远镜具有发射、接收信号，以及瞄准卫星等功能。既可分设3个望远镜分别实现上述功能，也可用一台望远镜实现上述功能。望远镜安置在转台上可绕横轴和竖轴转动，以指向不同方位角和不同高度角的卫星。（3）光电头光电头由窄带干涉滤光片和光电倍增管等组成。干涉滤光片可限制其它波长的杂散光而仅让激光信号通过，从而能大幅度减少天空背景噪声的影响，并使激光测距有3可能在白天进行。光电倍增器应该选用响应时间极短，热噪声极小，增益大的元器件。（4）脉冲位置测量系统量测回波脉冲的位置准确与否将直接影响测距精度。从卫星返回的回波脉冲由于受到大气干扰等原因而产生畸变。因而确定脉冲中心的位置时需采取一些特殊的方法，如通过测定信号波形面的矩心来予以测定等。采用单光子检测技术时自然不再需要对脉冲进行分析。单光子识别分析采用的是单光子雪崩二极管或触发雪崩二极管等技术。图2卫星测光测距中发射脉冲(a)和接受脉冲信号(b)（5）时频系统时频系统具有下列两个功能：一是为计数器等设备提供稳定的频率，其稳定度应优于10-10。当卫星距离测距仪的距离为1万公里时，由于频率稳定度误差所造成的影响小于1mm。二是记录观测时刻，此项误差不应大于1㎲。由于卫星运动速度小于8km/s，1㎲的误差相当于8mm。原子钟和好的石英钟均可满足上述要求。本机钟与标准时间进行时间比对可以采用GPS等方法进行。（6）伺服系统根据测站坐标的方位角和激光卫星的预报星历可求出不同时刻卫星的方位角和高度角，伺服系统的马达能在计算机控制不断驱动望远镜绕纵轴和水平轴旋转以平稳地连续地跟踪卫星，而且可使卫星以一次通过时观测值的个数增加至数千个。（7）计算机现代人卫测距仪均配备了计算机和相应的软件。其主要功能是：进行卫星轨道预报，通过伺服系统实现自动跟踪，设置距离门，采集观测数据，进行数据预处理等。3激光测距卫星凡是安装了后向反射棱镜，可对其进行激光测距的卫星称为激光测距卫星。激光测距卫星可以分为两类:一类是专提供激光测距用的卫星，如Lageos卫星、Starlette卫星等。另一类是提4供不同用途的卫星，如海洋卫星Seasat-1，海洋地形试验卫星Topex/Poseidon，部分GPS卫星等。但总起来，按照功能划分，这些卫星可以划分为四类第一类是地球动力学卫星。SLR主要使用这类卫星。它们通常是实心的球体，表面上布满后向角反射器。这些卫星轨道高，由于形状规则反射均匀，它们的轨道可以定得很准。第二类是地球遥感卫星。这类卫星搭载雷达高度计，形状不规则，所以作用到卫星上的大气阻力和太阳辐射压等都很大，但是，SLR是它们定轨的唯一的手段。第三类是定位卫星，包括GPS、GLONASS系列。这些卫星轨道很高，都近2万公里左右。卫星上安装了后向反射器，能进行SLR和GPS并置观测，这样可以提高卫星的定轨精度。第四类是其他一些科学试验卫星。这些卫星可以以激光测距可作为一种定轨的手段。4激光卫星测距台站网目前全球约有50个左右的SLR固定台站以及少量的流动台站。图3SLR全球观测台站分布图5数据处理与误差改正为了从SLR数据中精确提取我们感兴趣的信息，SLR数据后处理的原则是，首先从观测得到的数据中尽可能精确地去除已知的系统误差，这包括卫星表面的反射点对卫星质心的偏差、光线传播中的大气折射效应以及相对论效应，地面观测站位置的固5体潮、海潮和极潮影响等。由于被观测的对象一一卫星是运动的，卫星状态的精确与否直接影响了对其他信息的提取，因而SLR数据处理一般总是将卫星状态一起参加估计的，也就是采用动力学方法来进行数据处理。最后，为了尽可能精确地提取感兴趣的信息，减少观测力学模型误差的影响，对所提取信息精度影响较大的模型参数应该一并参加估计。卫星激光测距技术误差的来源以及改正有地面系统信号延迟改正、观测时间改正、大气延迟改正、卫星上的反射棱镜偏心改正、潮汐改正、相对论改正、测站距离偏差改正和时间偏差改正、测站板块运动改正。（1）地面系统信号延迟改正这项误差是由于激光测距仪脉冲信号在测距仪内部传播时的时间延迟以及计数器的位置与测距仪的几何中心不一致而引起的。仪器常数可以可以通过在观测前后对地面靶的校正观测来测定。地面靶至仪器中心间的距离事先已采用其它方法精确测定。（2）观测时间改正在激光测卫中一般都采用激光脉冲信号到达卫星的时刻作为观测时间。工作钟与标准时间之间存在差异，此值可以通过时间比对求得，而且，工作钟取样时刻和激光脉冲信号的发射时刻之间也存在差异，称触发延迟改正；信号传播时间也需要改正。（3）大气延迟改正此项改正是由于激光脉冲信号在传播过程中需往返两次穿过大气层而产生的。一般可分为电离层延迟和对流层延迟两项。由于激光测距仪使用的是频率极大的光信号，而电离层延迟又是与信号频率的平方成反比，故电离层延迟可以视为零而无需考虑。故对于激光测距仪而言，大气延迟改正是对流层延迟改正。（4）卫星上的反射棱镜偏心改正激光测卫测定的是从测距仪至反射棱镜间的距离，而定轨时需要确定的是卫星质心的位置。反射棱镜与卫星质心不重合，因而在观测值上需对这种偏差加以改正。此项改正在卫星发射前可精确测定，向用户公布。（5）潮汐改正固体潮及海洋负荷会引起测站坐标的变化从而影响距离观测值，由极移变化导致的测站坐标变化称为极潮改正，大气变化产生的负荷引起测站位移变化。（6）相对论改正按照爱因斯坦广义相对论原理，光线在引力场中传播时，传播速度会变慢，路径也会产生弯曲，这就是电磁波在引力场中的延迟效应。6（7）测站距离偏差改正和时间偏差改正测距过程中存在的系统误差，可作为待估参数在定轨时解算。（8）测站板块运动改正由ITRF提供的测站坐标已给定了测站运动速度和初始历元，可归算到相应历元的测站坐标和坐标运动改正。6用途与前景展望目前激光卫星测距的应用很广泛，主要应用有（1）目前激光测卫技术仍是测定点的绝对坐标的一种重要手段，在定义全球地心坐标系中起决定性作用。也是建立和维持全球性的或区域性的参考框架的一种重要方法。（2）是测定极移、地球自转不均匀、及板块运动和地壳形变等地球动力学现象的重要手段之一。（3）是确定地球重力场的低阶球谐函数系数的重要手段。（4）是精确确定卫星轨道的重要手法。目前全球约有50个左右的SLR固定台站以及少量的流动台站。测距精度已达到1~3cm.。少数台站已达到亚厘米级的精度水平。由于空间技术的发展，大地测量、地球物理、海洋学等都应用了适合自己的技术，但SLR仍然在这些领域起着举足轻重的作用。与GPS相比，由于它可以直接在地面上进行调试和维护，所以由它提供的地球参考框架长周期精度更高；另外空间的激光目标可认为具有无限寿命周期，这也是其它观测手段无法比拟的；重力场研究中，SLR由于可以从LAGEOS观察数据中得到重力常数GM的值，所以在定轨中它能提供绝对尺度因子。预计将来激光测距的精度还可能有较大的提高，达到mm级的测距精度。可以看出，SLR是一种重要和实用的技术。它对于监测大陆板块移动、地壳形变、地球自转和极移,改进地球重力场和地心引力常数,确定地球和海洋潮汐变化的规律等方面都具有重要作用。而且，它还是现在支持国际地球自转服务IERS的五种技术手段之一。据国际上比较流行的看法，SLR技术的进一步发展方向上，一方面用各种技术手段和方法提高测距精度和观测数据量。另一方面，提高测距系统的自动化程度，减少人力和物力的消耗。SLR的特点决定了它必然是高水平研究机构之间合作的产物，并且要与当代最高端科技紧密相连，不断提高自己，才能立于不败之地。相信SLR在将来，还会发挥更大的作用。7参考文献[1]李征航等.空间大地测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2010.[2]李洪波.SLR技术及其在GPS卫星定轨中的应用[J].计测技术,2013,(6):11-15.[3]李博等.卫星激光测距精度分析[J].全球定位系统,2014,(1):52-55.[4]赵有等.卫星激光测距的发展个现状[J].测绘通报,1999,(12):23-26.[5]吴志波.2011年上海天文台卫星激光测距观测报告[J].中科院上海天文台年刊,2012,(33):28-34.[6]籍利平.高精度的卫星测距[J].科学前沿,2011(7);10-12.[7]胡明城.现代大地测量学的理论及其应用[M].北京.测绘出版社,2003.