第5章---空間大地測量技術(shù)slr-llr

1、激光測衛(wèi) 激光測月,內(nèi)容要點,激光測衛(wèi),激光形成,激光的最初中文名叫做“鐳射”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個字母組成的縮寫詞。意思是“通過受激發(fā)射使光放大”。激光的英文全名已完全表達(dá)了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。 更多的信息見http:/

2、/baike.baidu.com/view/2695.htm測距的激光：在光學(xué)協(xié)振腔軸內(nèi)沿腔軸方向傳播的光被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它原子的受激躍遷，產(chǎn)生同頻率的光子，使光迅速放大。而與腔軸不平行的光則在往返幾次后溢出腔外，從而形成方向性極好的激光。,激光衛(wèi)星測距原理,測距原理,,SLR觀測方程,,,Computed range from station to satellite,,,Velocity o

3、f light,,,Elapsed time of the laser pulse,,Eccentricity correction on the ground,,,Eccentricity correction at the satellite,,,Signal delay in the ground system,,,Refraction correction,Remaining systematic &random ob

4、servation errors,,,,測距儀儀器常數(shù)改正,這項誤差是由于激光測距儀脈沖信號在測距儀內(nèi)部傳播時的時間延遲以及計數(shù)器的位置與測距儀的幾何中心不一致而引起的。儀器常數(shù)可以可以通過在觀測前后對地面靶的校正觀測來測定。地面靶至儀器中心間的距離事先已采用其它方法精確測定。將測距儀的測距結(jié)果與精確的已知值比較后即可求得儀器常數(shù)，并對觀測值進(jìn)行改正。,觀測時間改正,在激光測衛(wèi)中一般都采用激光脈沖信號到達(dá)衛(wèi)星的時刻作為觀測時間。設(shè)儀器

5、從工作鐘取樣所得到的時間為 ，觀測時刻可表示為：式中 為工作鐘的鐘差，即工作鐘與標(biāo)準(zhǔn)時間之間的差異，此值可以通過時間比對求得； 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，也稱觸發(fā)延遲改正； 為信號傳播時間改正，從激光脈沖離開測距儀至到達(dá)衛(wèi)星間的時間,大氣延遲改正,此項改正是由于激光脈沖信號在傳播過程中需往返兩次穿過大氣層而產(chǎn)生的。大氣延遲一般可分為電離層延遲和對流層延遲兩項。由于激光測距儀使用的是頻率極大

6、的光信號，而電離層延遲又是與信號頻率的平方成反比，故電離層延遲可以視為零而無需考慮。故對于激光測距儀而言，大氣延遲改正是對流層延遲改正。,衛(wèi)星上的反射棱鏡偏心改正潮汐改正,衛(wèi)星上的反射棱鏡偏心改正激光測衛(wèi)測定的是從測距儀至反射棱鏡間的距離，而定軌時需要確定的是衛(wèi)星質(zhì)心的位置。反射棱鏡與衛(wèi)星質(zhì)心不重合，因而在觀測值上需對這種偏差加以改正。此項改正在衛(wèi)星發(fā)射前可精確測定，向用戶公布。潮汐改正固體潮及海洋負(fù)荷會引起測站坐標(biāo)的變化從而影

7、響距離觀測值。潮汐改正的公式較為復(fù)雜，此處不再一一列出。讀者需要時可參閱相關(guān)的參考文獻(xiàn)。,相對論改正,按照愛因斯坦廣義相對論原理，光線在引力場中傳播時，傳播速度會變慢，路徑也會產(chǎn)生彎曲，這就是電磁波在引力場中的延遲效應(yīng)，同時考慮太陽和地球的引力場時，其改正公式如下：式中 分別為萬有引力常數(shù)、太陽的質(zhì)量、地球的質(zhì)量、太陽至測站的距離、太陽至衛(wèi)星的距

8、離、地心至測站的距離、地心至衛(wèi)星的距離、距離觀測值。,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(xué)發(fā)射和接收系統(tǒng)、光學(xué)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(biāo)校系統(tǒng)、計算機控制記錄系統(tǒng)、基石、電源系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)；最后為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。,激光測距衛(wèi)星---導(dǎo)航衛(wèi)星,GPS,GLONASS,Galieo,Compass,激光測距衛(wèi)星,激光儀分類,1)

9、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(jìn)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=φ/ω，D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ)=c/4f (N+ΔN),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

10、為1—6m。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)。,中國的衛(wèi)星激光測距站,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,中國流動衛(wèi)星激光測距儀,中國地震局

11、地震研究所流動衛(wèi)星激光測距儀赴韓國觀測,TROS-Ⅰ,The International Laser Ranging Service,http://ilrs.gsfc.nasa.gov/,ILRS Organization,激光衛(wèi)星測距應(yīng)用,激光測距定軌,激光衛(wèi)星測距應(yīng)用,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(xué)變化引起的位移影響，導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)參數(shù)變

12、化；通常測定下列參數(shù)極移日長變化（世界時）歲差和章動序列來通過多種技術(shù)觀測VLBI、SLR、GPS和DORIS,激光衛(wèi)星測距應(yīng)用,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(xué)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)

13、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。,激光衛(wèi)星測距應(yīng)用,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(yīng)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

14、衛(wèi)激光測距資料結(jié)果來補充，特別是2階項。,激光衛(wèi)星測距應(yīng)用,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(xué)衛(wèi)星LAGEOS激光測距資料的應(yīng)用；現(xiàn)在廣泛應(yīng)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

15、沒有仔細(xì)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。,激光測衛(wèi) 激光測月,內(nèi)容要點,,激光測月,激光測月的提出,1964年10月，美國NASA發(fā)射了第一顆帶有后向反射器的衛(wèi)星：“Beacon-B”，并很快實現(xiàn)了對其的衛(wèi)星激光測距 SLR。 不久，C.Alley,P.Bender,

16、R.Dicke等人提出了開創(chuàng)性的想法：將激光后向反射器放置于月球表面，以開展激光測月LLR（Lunar Laser Ranging）工作。1969年7月21日阿波羅11號登月成功，宇航員N. Armstorng將激光后向反射器陣(A11)放置于月面上預(yù)定的位置。,激光測月的實現(xiàn),1969年8月1日，美國Lick天文臺用其3m望遠(yuǎn)鏡成功地觀測到來自Apollo 11反射器的激光測距回波訊號；8月 22日，美國 McDonald天文臺的

17、 2.7m望遠(yuǎn)鏡亦收到回波訊號；隨后對Apollo 11反射器進(jìn)行成功測距試驗的還有：美空軍在Arizona的Cambridge Research Laboratory；法國的Pic du Mdi天文臺；以及日本的東京天文臺。從此開創(chuàng)了人類對地月間距離進(jìn)行精確測量的歷史,激光測月（LLR）的特點,技術(shù)原理與激光測衛(wèi)基本相同，只不過將衛(wèi)星上的激光后向反射鏡放置在月球上特定的觀測點，原于月球的特點，激光測月與激光測衛(wèi)也有所區(qū)別。月球是

18、地球天然衛(wèi)星，比起人造地球衛(wèi)星，月球在體積和質(zhì)量方面要大得多，距離地球也要遠(yuǎn)得多。由于其質(zhì)量巨大、距離也遠(yuǎn)，月球繞地球運行軌道也特別穩(wěn)定，更有利于地球動力學(xué)方面研究。月球體積巨大，在其表面可以放置多個激光后向反射鏡，有利于研究月球本身動力學(xué)性質(zhì)；同時月球距離遙遠(yuǎn)，激光測距儀必須加大激光能量輸出、提高儀器指向精度，因而激光測月在技術(shù)上遠(yuǎn)比激光測衛(wèi)復(fù)雜。,激光測月原理,用大功率激光測距儀向安置在月球表面上的反射棱鏡發(fā)射激光脈沖信號；

19、測定信號的往返傳播時間；進(jìn)而求出儀器到反射棱鏡之間距離的方法和技術(shù)稱為激光測月。,激光測月觀測方程,由于地球和月球軌道星歷是以太陽系質(zhì)心坐標(biāo)系給出的，因此激光測月的觀測方程常在太陽系質(zhì)心坐標(biāo)系中建立；右圖給出了激光測月技術(shù)中的幾何關(guān)系。S為太陽系質(zhì)心Oe為地球質(zhì)心Om為月球質(zhì)心P為觀測站Q為月球激光后向反射鏡R為地球質(zhì)心至太陽系質(zhì)心距離；r為月球質(zhì)心至太陽系質(zhì)心距離Rp為觀測站至太陽系質(zhì)心距離rq為月球激光后向反射

20、鏡至太陽系質(zhì)心距離Re為觀測站至地球質(zhì)心距離rm為激光后向反射鏡至月球質(zhì)心距離ρ為觀測站至月球激光后向反射鏡距離，即觀測距離；,激光測月觀測方程,則觀測距離在太陽系質(zhì)心坐標(biāo)系可表示為（1）；距離方程線性化后可得觀測方程（2）；注意上式中ρ0′為單程距離，實際測量為雙程距離，且激光往返地月時間在2.5秒左右，可以認(rèn)為這期間偏導(dǎo)數(shù)的變化可忽略；（2）式改寫為 （3）；,激光測月距離的改正,與地球相關(guān)的因素測站大氣與月球相關(guān)

21、的因素月球自轉(zhuǎn)月球自轉(zhuǎn)軸方向反射鏡潮汐位移月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)月球物理特性月球能量耗散,激光測月現(xiàn)狀,目前激光測月資料累積已超過38年，為月球本身、地月系、地球動力學(xué)、日地系的相關(guān)研究提供了豐富的資料； 早期激光測月資料主要用于研究月球軌道、月球引力場系數(shù)、慣量矩、月球自由天平動、月球軌道潮汐能量耗散、地心引力常數(shù)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)等，已取得眾多的成果 ；現(xiàn)在隨著高精度觀測資料出現(xiàn)，用激光測距資料可開展更深入的研究。,月球激光測距精

22、度歷史變遷,激光測月現(xiàn)狀,月球表面上的反射棱鏡,Apollo-11,Apollo-14,Apollo-15,Lunakhod 1,Lunakhod 2,激光測月現(xiàn)狀,激光測月的激光觀測站美國Texas州的McDonald天文臺美國Hawaii州的Haleakala天文臺法國的Grasse觀測站德國的Wettzell觀測站澳大利亞Orrorral觀測站,美國Texas州的McDonald天文臺,美國Hawaii州的Haleaka

23、la天文臺,法國的Grasse觀測站,澳大利亞Orrorral觀測站,德國的Wettzell觀測站,激光測月的應(yīng)用,1、月球潮汐的測量月球在潮汐力的作用下產(chǎn)生的彈性形變也用勒夫數(shù)來表示。月球潮汐二階項振幅是最強的，由其導(dǎo)致的形變對形變勒夫數(shù)h2和l2最大，而月球自轉(zhuǎn)變化對引力位勒夫數(shù)k2最敏感。事實上激光測月觀測距離對k2更敏感。2004年Williams、Boggs、 和 Ratcliff利用1970年至2003年的激光測月資

24、料解算得到月球勒夫數(shù)為：,激光測月的應(yīng)用,2、月球液核的研究通過激光測月資料對月球能量耗散分析，顯示月球存在一個較小的液核。由于液核的存在，導(dǎo)致液核和核幔邊界之間的潮汐耗散，同時液核的存在及月球的自轉(zhuǎn)導(dǎo)致液核存在扁率邊界，進(jìn)而使得k2變小。有關(guān)月球液核、核幔邊界、核幔邊界扁率、固體內(nèi)核研究正進(jìn)一步展開。3、月面位置坐標(biāo)目前月球探測又成為全球熱點，計劃中的登月項目將會給利用月面激光后向反射鏡的精確坐標(biāo)帶來更多的機會。這幾個激光

25、后向反射鏡是現(xiàn)今所知的最精確的月面坐標(biāo)點，作為月面大地測量的控制點，將有望在不遠(yuǎn)的將來得以擴展。,激光測月的應(yīng)用,4、引力常數(shù)變化測定月球軌道運行非常穩(wěn)定，激光測月得到的月球軌道特別有利于確定引力常數(shù)；目前測定引力常數(shù)G的時間變化每年小于：3×10e-11。5、等效原理等效原理是愛因斯坦引力理論的基礎(chǔ)，可通過檢驗月球和地球在太陽引力場的加速度是否相同來驗證等效原理；如果等效原理有效，月球軌道將沿地球太陽連線變化，產(chǎn)生