激光測衛(wèi)(武大-魏二虎)

主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 主 講 ： 魏 二 虎 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 2/30 8.1、激光衛(wèi)星測距原理8.2、激光衛(wèi)星測量系統(tǒng)8.3、激光測距定軌原理8.4、激光衛(wèi)星測距應用 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 3/30 1.激 光激 光 LASER（ Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation） 是 指光 的 受 激 輻 射 以 實 現(xiàn) 光 放 大 。激 光 的 產(chǎn) 生 當 激 光 物 質(zhì) 處 于 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 分 布 狀 態(tài)時 ， 由 自 發(fā) 輻 射 而 產(chǎn) 生 的 光 子 將 引 起其 它 原 子 受 激 躍 遷 ， 從 而 使 光 得 到 受激 放 大 。 在 光 學 諧 振 腔 內(nèi) 沿 腔 軸 方 向 傳 播 的 光受 安 置 在 兩 端 的 反 射 鏡 反 射 而 往 返 傳播 ， 在 此 過 程 中 不 斷 引 起 其 他 原 子 的受 激 躍 遷 ， 產(chǎn) 生 同 頻 率 的 光 子 ， 使 光迅 速 放 大 。 與 腔 軸 不 平 行 的 光 則 在 往 返 幾 次 后 逸出 腔 外 ， 從 而 形 成 方 向 性 極 好 的 激 光 。 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 4/30 2、 激 光 的 特 點六 十 年 代 初 ， 美 國 Mainman在 實 驗 室 研 制 成 功 世 界 上 第一 臺 紅 寶 石 激 光 器 。它 具 有 下 述 特 點 高 功 率 激 光 器 的 輸 出 功 率 可 達 GW級 。 單 位 面 積 上 的 光 能 密 度可 高 于 太 陽 表 面 ， 作 用 距 離 到 達 幾 萬 公 里 高 處 的 人 造 地 球 衛(wèi) 星甚 至 三 十 八 萬 公 里 外 的 月 球 表 面 ； 激 光 的 譜 線 很 窄 ， 便 于 在 接 收 系 統(tǒng) 中 用 窄 帶 濾 光 片 來 消 除 天 空背 景 的 噪 聲 ， 從 而 大 大 提 高 信 噪 比 ； 激 光 的 發(fā) 散 角 極 小 ， 在 很 遠 的 距 離 上 光 能 量 仍 能 集 中 在 一 個 很小 的 范 圍 內(nèi) ， 有 的 激 光 測 距 系 統(tǒng) 發(fā) 散 角 只 有 2， 在 月 球 表 面 上光 斑 直 徑 也 只 有 4km； 脈 沖 激 光 器 的 激 光 脈 沖 寬 度 可 以 達 到 很 小 的 量 級 ， 而 脈 寬 是 決定 測 距 精 度 的 主 要 因 素 之 一 ， 因 而 激 光 測 距 的 精 度 可 以 達 到 很高 的 精 度 。 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 5/30 3、 激 光 測 衛(wèi) 的 提 出 1963年 第 三 屆 國 際 量 子 電 子 學 會 基 于 上 述 激 光 器 的特 點 ， 就 提 出 利 用 新 光 源 測 量 衛(wèi) 星 距 離 的 可 能 性 。 1964年 10月 美 國 通 用 電 器 公 司 和 戈 達 德 飛 行 中 心（ GFSC） 先 后 成 功 的 利 用 紅 寶 石 激 光 器 測 到 了 由美 國 宇 航 局 （ NASA） 于 當 月 發(fā) 射 的 世 界 上 第 一 顆帶 激 光 后 向 反 射 鏡 的 人 造 地 球 衛(wèi) 星 -探 險 者 22號（ BEB） 的 距 離 。 正 是 隨 著 這 第 一 次 實 驗 的 成 功 ， 人 衛(wèi) 激 光 測 距（ SLR） 技 術(shù) 得 到 了 迅 速 的 發(fā) 展 ； 到 現(xiàn) 在 人 衛(wèi) 激 光 測 距 由 當 初 希 望 的 曙 光 變 成 了 如 日中 天 的 最 主 要 現(xiàn) 代 高 技 術(shù) 空 間 大 地 測 量 手 段 之 一 。 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 6/30 4、 測 距 過 程 用 安 裝 在 地 面 測 站 的 激光 測 距 儀 向 安 裝 了 后 向反 射 棱 鏡 的 激 光 衛(wèi) 星 發(fā)射 激 光 脈 沖 信 號 ； 該 信 號 被 棱 鏡 反 射 后 返回 測 站 ， 精 確 測 定 信 號的 往 返 傳 播 時 間 ； 進 而 求 出 儀 器 到 衛(wèi) 星 質(zhì)心 間 的 距 離 。 目 前 的 測 距 精 度 可 達1cm左 右 。 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 7/30 5、 測 距 原 理 D=C. t/2+ D D為 測 距 改 正 數(shù) 激 光 測距 儀 帶 反 射 棱 鏡 的激 光 衛(wèi) 星 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 8/30 5、 測 距 原 理 激 光 測 距 觀 測 值 誤 差 改 正 測 距 儀 儀 器 常 數(shù) 改 正 不 同 儀 器 之 間 的 常 數(shù) 改 正 地 面 大 氣 延 遲 改 正 觀 測 時 間 改 正 t= t1+ t2+ t3 t1為 工 作 鐘 與 標 準 時 間 之 間 的 差 異 ； t2為 工 作 鐘 取 樣 時 刻 和 激 光 脈 沖 信 號 的 發(fā) 射 時刻 之 間 的 差 異 ， 也 稱 為 觸 發(fā) 延 遲 改 正 ； t3為 信 號 傳 播 時 間 改 正 ， 從 激 光 脈 沖 離 開 測 距儀 至 到 達 衛(wèi) 星 間 的 時 間 ， t3=S/c 大 氣 延 遲 改 正 衛(wèi) 星 上 的 反 射 棱 鏡 偏 心 改 正 潮 汐 改 正 相 對 論 改 正 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 9/30 8.1、激光衛(wèi)星測距原理 8.2、激光衛(wèi)星測量系統(tǒng)8.3、激光測距定軌原理8.4、激光衛(wèi)星測距應用 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 10/30 1 激 光 測 距 系 統(tǒng)主 要 包 括 地 面 部 分 和 空 間 部 分 空 間 部 分 為 帶 后 向 反 射 鏡 的 衛(wèi) 星地 面 部 分 則 包 括 ：激 光 發(fā) 生 系 統(tǒng) 、 激 光 光 學 發(fā) 射和 接 收 系 統(tǒng) 、 光 學 系 統(tǒng) 轉(zhuǎn) 臺 、激 光 脈 沖 接 收 處 理 系 統(tǒng) 、 時 間間 隔 計 數(shù) 器 、 時 間 系 統(tǒng) ；標 校 系 統(tǒng) 、 計 算 機 控 制 記 錄 系統(tǒng) 、 基 石 、 電 源 系 統(tǒng) 、 保 護 系統(tǒng) ；最 后 為 數(shù) 據(jù) 傳 輸 系 統(tǒng) 。 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 11/30 2、 激 光 測 距 衛(wèi) 星 專 用 衛(wèi) 星 Lageos衛(wèi) 星 Starlette衛(wèi) 星 Starlette 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 12/30 2、 激 光 測 距 衛(wèi) 星 非 專 用 衛(wèi) 星 ATS-6 海 洋 衛(wèi) 星 Seasat-1 海 洋 地 形 試 驗 衛(wèi) 星Topex/Poseidon 部 分 GPS衛(wèi) 星 等 。 這 些 衛(wèi) 星 之 所 以 安 裝 激光 反 射 棱 鏡 ， 主 要 是 把 激光 測 距 作 為 一 種 定 軌 的 手段 。 Topex Seasat-1ATS-6 GPS衛(wèi) 星 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 13/30 3、 激 光 儀 分 類 1)按 激 光 類 型 來 分脈 沖 式 ： 激 光 波 段 的 電 壓 強 度相 位 式 激 光 測 距 儀 用 無 線 電 波 段 的 頻 率 ， 對 激 光束 進 行 幅 度 調(diào) 制 并 測 定 調(diào) 制 光往 返 測 線 一 次 所 產(chǎn) 生 的 相 位 延遲 ； 再 根 據(jù) 調(diào) 制 光 的 波 長 ， 換 算 此相 位 延 遲 所 代 表 的 距 離 。 即 用間 接 方 法 測 定 出 光 經(jīng) 往 返 測 線所 需 的 時 間 。t=/，D=1/2 ct=1/2 c/=c/(4f) (N+)=c/4f (N+N) 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 14/30 3、 激 光 儀 分 類 2） 根 據(jù) 其 構(gòu) 造 及 精 度 分 第 一 代 ： 脈 沖 寬 度 在 10 40ns， 測距 精 度 約 為 16m。 多 數(shù) 采 用 帶 調(diào) Q開 關(guān) 的 紅 寶 石 激 光 器 。 第 二 代 ： 脈 沖 寬 度 2 5ns， 測 距 精度 為 30 100cm,多 數(shù) 采 用 了 脈 沖 分析 法 ； 第 三 代 ： 脈 沖 寬 度 為 0.1 0.2ns,測距 精 度 為 1 3cm， 多 數(shù) 采 用 鎖 模Nd:YAG激 光 器 。 能 在 計 算 機 控 制下 實 現(xiàn) 對 衛(wèi) 星 的 自 動 跟 蹤 和 單 光 子檢 測 技 術(shù) 。 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 15/30 4.人 衛(wèi) 激 光 測 距 儀 的 結(jié) 構(gòu) 激 光 器 ； 望 遠 鏡 ； 光 電 頭 ； 脈 沖 測 量 系 統(tǒng) ； 時 頻 系 統(tǒng) ； 伺 服 系 統(tǒng) ； 計 算 機 等 部 分 組 成 的 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 16/30 長 春昆 明 上 海北 京武 漢 TRO S, Lhasa, Tibet TRO S, Urumqi, China 5、 激 光 測 衛(wèi) 站中 國已 經(jīng) 建 立 固 定站 武 漢 、 上 海 、長 春 、 北 京和 昆 明 等 5個激 光 測 衛(wèi) 站 。流 動 激 光 測 衛(wèi)站 烏 魯 木 齊 ，拉 薩 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 17/30 5、 激 光 測 衛(wèi) 站 國 際 上 目 前 在 工 作 的 SLR站 如 圖 所 示 ， 圖 中 紅 色 三 角 形測 站 表 示 正 在 工 作 的 測 站 ， 大 約 有 44個 站 。 觀 測 數(shù) 據(jù) 網(wǎng) 絡 ： ILS 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 18/30 8.1、激光衛(wèi)星測距原理8.2、激光衛(wèi)星測量系統(tǒng) 8.3、激光測距定軌原理8.4、激光衛(wèi)星測距應用 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 19/30 已 知 衛(wèi) 星 和 測 站 到 地 心 的 距 離 R，r; r是 通 過 衛(wèi) 星 的 運 動 方 程 積 分 得 到的 ， 由 于 衛(wèi) 星 繞 地 球 的 運 動 受 到 多種 攝 動 力 的 作 用 ， 而 與 之 相 應 的 攝動 力 學 模 型 并 不 完 善 ， 加 上 積 方 運動 方 程 所 需 的 衛(wèi) 星 初 始 狀 態(tài) 和 算 法上 帶 來 的 誤 差 ， 使 得 計 算 的 衛(wèi) 星 星歷 表 不 準 確 ; 另 外 ， 測 算 的 空 間 位 置 矢 R是 由 臺站 的 大 地 坐 標 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 換 到 空 間 坐 標 系中 ， 這 就 要 考 慮 到 大 地 坐 標 的 準 確與 否 及 地 球 極 移 、 地 球 自 轉(zhuǎn) 、 章 動 、歲 差 等 。 因 此 ， 理 論 計 算 的 距 離 值 c與 相 應時 刻 的 觀 測 值 o是 不 會 完 會 相 同 的 。 地心 R r 衛(wèi)星測站 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 20/30 長 弧 方 程 6 3 31 1 1 1 1M No c i j k lmi j k l mi j k lmx p E X vx p E X （ 5.3）2o ct c r R ， 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 21/30 短 弧 方 程 在 人 造 衛(wèi) 星 的 精 密 定 軌 的 過 程 中 ， 由 于 理 論 模 型 不完 善 ， 產(chǎn) 生 與 真 實 軌 道 不 同 的 誤 差 ， 加 上 積 分 導 致誤 差 累 積 致 使 對 長 弧 的 定 軌 精 度 不 高 ， 一 般 對 不 同軌 道 高 度 衛(wèi) 星 選 取 不 同 的 定 軌 弧 段 ， 對 LAGEOS衛(wèi)星 定 軌 一 個 月 左 右 的 弧 段 比 較 好 。 從 另 一 方 面 講 ， 如 果 我 們 求 解 的 參 數(shù) 的 周 期 比 較 長 ，則 在 30天 的 短 弧 內(nèi) ， 解 出 參 數(shù) 結(jié) 果 也 不 會 好 ， 當 然有 些 參 數(shù) 是 短 周 期 的 或 者 變 化 是 比 較 快 的 ， 則 需 要在 短 的 弧 段 內(nèi) 求 解 ， 如 地 球 自 轉(zhuǎn) 參 數(shù) ERP， 類 大 氣陰 尼 系 數(shù) ， 等 。 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 22/30 為 了 避 免 長 弧 定 軌 精 度 低 的 缺 點 ， 通 常 采 用 的 方 法 是把 一 段 長 弧 分 成 若 干 段 短 弧 ； 那 些 須 用 長 弧 段 來 求 解 的 參 數(shù) 稱 作 公 共 量 ； 而 與 短 弧 有 關(guān) 的 量 稱 作 局 部 量 ； 這 樣 分 別 在 長 弧 和 短 弧 段 內(nèi) 求 解 相 應 的 參 數(shù) 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 23/30 8.1、激光衛(wèi)星測距原理8.2、激光衛(wèi)星測量系統(tǒng)8.3、激光測距定軌原理 8.4、激光衛(wèi)星測距應用 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 24/30 1、 地 球 自 轉(zhuǎn) 參 數(shù) 測 定地 球 自 轉(zhuǎn) 參 數(shù) 是 指 地 球 自 轉(zhuǎn) 軸在 地 球 本 體 和 慣 性 空 間 的 運 動矢 量 ， 由 于 受 太 陽 、 月 亮 、 大行 星 引 力 力 矩 以 及 地 球 內(nèi) 部 動力 學 變 化 引 起 的 位 移 影 響 ， 導致 地 球 自 轉(zhuǎn) 參 數(shù) 變 化 ；通 常 用 測 定 的極 移日 長 變 化 （ 世 界 時 ）歲 差 和 章 動 序 列 來 表 示 地 球自 轉(zhuǎn) 參 數(shù) 通 過 多 種 技 術(shù) 觀 測VLBI、 SLR、 GPS和 DORIS SLR、 VLBI、 GPS觀 測 覆 蓋 （ 統(tǒng) 計 至 2005年 ） 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 25/30 2、 人 衛(wèi) 激 光 測 距 用 于 地 球 質(zhì) 心 測 定 地 球 參 考 系 的 原 點 可 從 兩 方 面 來 定 義 ， 一 是 幾 何方 面 ， 如 大 地 參 考 系 ， 另 一 方 面 則 是 更 加 通 用 的從 動 力 學 方 法 來 定 義 ， 即 地 球 的 質(zhì) 量 中 心 。 地 球 質(zhì) 心 位 置 為 確 定 地 球 表 面 、 大 氣 以 及 空 間 位置 的 相 對 運 動 提 供 了 參 考 原 點 。 它 的 位 置 需 要 通 過 地 球 固 體 表 面 的 參 考 框 架 來 反映 。 理 論 參 考 框 架 原 點 在 地 球 質(zhì) 心 上 ， 實 際 原 點通 過 地 面 測 站 網(wǎng) 對 衛(wèi) 星 軌 道 長 時 間 觀 測 的 平 差 結(jié)果 、 也 受 到 觀 測 誤 差 的 影 響 ， 故 參 考 框 架 原 點 和地 球 質(zhì) 心 有 所 不 同 。 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 26/30 2、 人 衛(wèi) 激 光 測 距 用 于 地球 質(zhì) 心 測 定 也 可 通 過 過 地 面 測 站 網(wǎng)對 衛(wèi) 星 軌 道 觀 測 確 定 地球 質(zhì) 心 及 其 變 化 ， 進 而研 究 其 變 化 的 地 球 物 理機 制 。 ITRF2005參 考 框 架 原 點定 義 是 基 于 13年 人 衛(wèi) 激光 測 距 得 到 的 地 球 質(zhì) 心 ，并 使 平 均 地 球 質(zhì) 心 變 化和 變 率 為 零 。 LAGEOS衛(wèi) 星 SLR測 定 地 心 變 化 （ 時 間 單 位 ：年 ） 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 27/30 3、 人 衛(wèi) 激 光 測 距 用 于 地 球 低 階重 力 場 測 定 在 重 力 衛(wèi) 星 資 料 應 用 以 前 ， 地球 重 力 場 測 定 主 要 靠 衛(wèi) 星 地 面跟 蹤 資 料 和 地 面 重 力 測 量 資 料聯(lián) 合 確 定 。 地 球 重 力 場 的 中 長 波 部 分 主 要由 衛(wèi) 星 跟 蹤 資 料 確 定 ， 衛(wèi) 星 跟蹤 資 料 也 主 要 來 源 于 人 衛(wèi) 激 光測 距 資 料 。 重 力 衛(wèi) 星 出 現(xiàn) 后 ， 由 于 其 衛(wèi) 星數(shù) 目 、 軌 道 及 資 料 累 積 的 局 限 ，其 低 階 部 分 結(jié) 果 仍 然 分 離 不 好 ，需 要 人 衛(wèi) 激 光 測 距 資 料 結(jié) 果 來補 充 ， 特 別 是 2階 項 。 人 衛(wèi) 激 光 測 距 資 料 J2項 月 解 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 28/30 3、 人 衛(wèi) 激 光 測 距 用 于 地 球 低階 重 力 場 測 定 30多 年 累 積 的 人 衛(wèi) 激 光 測 距資 料 也 有 其 利 用 優(yōu) 勢 ， 如 J2長 期 變 化 項 、 18.6年 周 期 項確 定 以 及 用 于 GRACE重 力 衛(wèi)星 資 料 分 離 海 洋 和 水 的 質(zhì) 量變 化 。 另 外 ， 從 人 衛(wèi) 激 光 測 距 資 料獲 得 的 J2項 變 化 分 析 發(fā) 現(xiàn) 其與 ENSO（ 厄 爾 尼 諾 與 南 方濤 動 ） 現(xiàn) 象 密 切 相 關(guān) ， 因 此人 衛(wèi) 激 光 測 距 也 可 以 用 來 監(jiān)測 氣 候 變 化 導 致 的 長 期 地 球重 力 場 變 化 。 人 衛(wèi) 激 光 測 距 資 料 J2項 長 期 變 化 結(jié) 果 人 衛(wèi) 激 光 測 距 資 料 J2項 中 18.6年 潮 汐 項 結(jié) 果 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 29/30 4、 人 衛(wèi) 激 光 測 距 用 于 地 心 引 力 常 數(shù) GM測 定 自 第 一 顆 人 造 地 球 衛(wèi) 星 上 天 ， 衛(wèi) 星 觀 測 資 料 就 用 于地 球 重 力 場 的 確 定 ， 包 括 地 心 引 力 常 數(shù) GM測 定 。 人 衛(wèi) 激 光 測 距 技 術(shù) 出 現(xiàn) 后 ， GM值 確 定 主 要 采 用 這一 技 術(shù) ， 特 別 是 地 球 動 力 學 衛(wèi) 星 LAGEOS激 光 測 距資 料 的 應 用 ； 現(xiàn) 在 廣 泛 應 用 的 GM值 為 398600.4415km3/s2， 就 是通 過 5年 的 LAGEOS-1資 料 處 理 在 1992年 解 算 得 到 的 ，但 在 解 算 過 程 中 衛(wèi) 星 質(zhì) 心 誤 差 沒 有 仔 細 考 慮 ， 同 時大 氣 折 射 模 型 誤 差 也 會 帶 來 影 響 。 2005年 利 用 12年 LAGEOS-1和 LAGEOS-2激 光 測 距資 料 確 定 的 GM值 為 398600.44163 km3/s2， 解 算 精度 也 比 1992年 結(jié) 果 提 高 了 一 倍 。 主主 講講 ： 魏魏 二二 虎虎 30/30 5、 人 衛(wèi) 激 光 測 距 在 其 它 方 面 應 用 如 ： 參 與 ITRF框 架 建 立 與 維 持 地 球 固 體 潮 與 海 潮 研 究 作 為 其 它 精 密 定 軌 技 術(shù) 參 考 站 間 時 間 同 步 比 對 板 塊 運 動 監(jiān) 測 廣 義 相 對 論 驗 證 及 相 關(guān) 常 數(shù) 解 算 .等 。