第5章---空間大地測(cè)量技術(shù)slr-llr

1、激光測(cè)衛(wèi) 激光測(cè)月,內(nèi)容要點(diǎn),激光測(cè)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(chēng)LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個(gè)字母組成的縮寫(xiě)詞。意思是“通過(guò)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(guò)程。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱(chēng)“激光”。 更多的信息見(jiàn)http:/

2、/baike.baidu.com/view/2695.htm測(cè)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(guò)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(cè)距原理,測(cè)距原理,,SLR觀(guān)測(cè)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(cè)距儀儀器常數(shù)改正,這項(xiàng)誤差是由于激光測(cè)距儀脈沖信號(hào)在測(cè)距儀內(nèi)部傳播時(shí)的時(shí)間延遲以及計(jì)數(shù)器的位置與測(cè)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(guò)在觀(guān)測(cè)前后對(duì)地面靶的校正觀(guān)測(cè)來(lái)測(cè)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(cè)定。將測(cè)距儀的測(cè)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(duì)觀(guān)測(cè)值進(jìn)行改正。,觀(guān)測(cè)時(shí)間改正,在激光測(cè)衛(wèi)中一般都采用激光脈沖信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星的時(shí)刻作為觀(guān)測(cè)時(shí)間。設(shè)儀器

5、從工作鐘取樣所得到的時(shí)間為 ，觀(guān)測(cè)時(shí)刻可表示為：式中 為工作鐘的鐘差，即工作鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的差異，此值可以通過(guò)時(shí)間比對(duì)求得； 為工作鐘取樣時(shí)刻和激光脈沖信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻之間的差異，也稱(chēng)觸發(fā)延遲改正； 為信號(hào)傳播時(shí)間改正，從激光脈沖離開(kāi)測(cè)距儀至到達(dá)衛(wèi)星間的時(shí)間,大氣延遲改正,此項(xiàng)改正是由于激光脈沖信號(hào)在傳播過(guò)程中需往返兩次穿過(guò)大氣層而產(chǎn)生的。大氣延遲一般可分為電離層延遲和對(duì)流層延遲兩項(xiàng)。由于激光測(cè)距儀使用的是頻率極大

6、的光信號(hào)，而電離層延遲又是與信號(hào)頻率的平方成反比，故電離層延遲可以視為零而無(wú)需考慮。故對(duì)于激光測(cè)距儀而言，大氣延遲改正是對(duì)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(cè)衛(wèi)測(cè)定的是從測(cè)距儀至反射棱鏡間的距離，而定軌時(shí)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(guān)測(cè)值上需對(duì)這種偏差加以改正。此項(xiàng)改正在衛(wèi)星發(fā)射前可精確測(cè)定，向用戶(hù)公布。潮汐改正固體潮及海洋負(fù)荷會(huì)引起測(cè)站坐標(biāo)的變化從而影

7、響距離觀(guān)測(cè)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(shí)可參閱相關(guān)的參考文獻(xiàn)。,相對(duì)論改正,按照愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論原理，光線(xiàn)在引力場(chǎng)中傳播時(shí)，傳播速度會(huì)變慢，路徑也會(huì)產(chǎn)生彎曲，這就是電磁波在引力場(chǎng)中的延遲效應(yīng)，同時(shí)考慮太陽(yáng)和地球的引力場(chǎng)時(shí)，其改正公式如下：式中 分別為萬(wàn)有引力常數(shù)、太陽(yáng)的質(zhì)量、地球的質(zhì)量、太陽(yáng)至測(cè)站的距離、太陽(yáng)至衛(wèi)星的距

8、離、地心至測(cè)站的距離、地心至衛(wèi)星的距離、距離觀(guān)測(cè)值。,激光測(cè)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(tái)、激光脈沖接收處理系統(tǒng)、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器、時(shí)間系統(tǒng)；標(biāo)校系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)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(cè)距衛(wèi)星---導(dǎo)航衛(wèi)星,GPS,GLONASS,Galieo,Compass,激光測(cè)距衛(wèi)星,激光儀分類(lèi),1)

9、按激光類(lèi)型來(lái)分脈沖式：激光波段的電壓強(qiáng)度相位式激光測(cè)距儀用無(wú)線(xiàn)電波段的頻率，對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返測(cè)線(xiàn)一次所產(chǎn)生的相位延遲；再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測(cè)定出光經(jīng)往返測(cè)線(xiàn)所需的時(shí)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(lèi),2）根據(jù)其構(gòu)造及精度分第一代： 脈沖寬度在10～40ns，測(cè)距精度約

10、為1—6m。多數(shù)采用帶調(diào)Q開(kāi)關(guān)的紅寶石激光器。第二代：脈沖寬度2～5ns，測(cè)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(cè)距精度為1～3cm，多數(shù)采用鎖模Nd:YAG激光器 。能在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的自動(dòng)跟蹤和單光子檢測(cè)技術(shù)。,中國(guó)的衛(wèi)星激光測(cè)距站,中國(guó)已經(jīng)建立固定站武漢、上海、長(zhǎng)春、北京和昆明等5個(gè)激光測(cè)衛(wèi)站。流動(dòng)激光測(cè)衛(wèi)站烏魯木齊，拉薩,中國(guó)流動(dòng)衛(wèi)星激光測(cè)距儀,中國(guó)地震局

11、地震研究所流動(dòng)衛(wèi)星激光測(cè)距儀赴韓國(guó)觀(guān)測(cè),TROS-Ⅰ,The International Laser Ranging Service,http://ilrs.gsfc.nasa.gov/,ILRS Organization,激光衛(wèi)星測(cè)距應(yīng)用,激光測(cè)距定軌,激光衛(wèi)星測(cè)距應(yīng)用,地球自轉(zhuǎn)參數(shù)測(cè)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(yùn)動(dòng)矢量，由于受太陽(yáng)、月亮、大行星引力力矩以及地球內(nèi)部動(dòng)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(cè)定下列參數(shù)極移日長(zhǎng)變化（世界時(shí)）歲差和章動(dòng)序列來(lái)通過(guò)多種技術(shù)觀(guān)測(cè)VLBI、SLR、GPS和DORIS,激光衛(wèi)星測(cè)距應(yīng)用,人衛(wèi)激光測(cè)距用于地球質(zhì)心測(cè)定 地球參考系的原點(diǎn)可從兩方面來(lái)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(dòng)力學(xué)方法來(lái)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(duì)運(yùn)動(dòng)提供了參考原點(diǎn)。它的位置需要通過(guò)地球固體表面的參考框架來(lái)反映。理論參考框架原點(diǎn)在地球質(zhì)

13、心上，實(shí)際原點(diǎn)通過(guò)地面測(cè)站網(wǎng)對(duì)衛(wèi)星軌道長(zhǎng)時(shí)間觀(guān)測(cè)的平差結(jié)果、也受到觀(guān)測(cè)誤差的影響，故參考框架原點(diǎn)和地球質(zhì)心有所不同。,激光衛(wèi)星測(cè)距應(yīng)用,人衛(wèi)激光測(cè)距用于地球低階重力場(chǎng)測(cè)定在重力衛(wèi)星資料應(yīng)用以前，地球重力場(chǎng)測(cè)定主要靠衛(wèi)星地面跟蹤資料和地面重力測(cè)量資料聯(lián)合確定。地球重力場(chǎng)的中長(zhǎng)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(lái)源于人衛(wèi)激光測(cè)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(cè)距資料結(jié)果來(lái)補(bǔ)充，特別是2階項(xiàng)。,激光衛(wèi)星測(cè)距應(yīng)用,人衛(wèi)激光測(cè)距用于地心引力常數(shù)GM測(cè)定自第一顆人造地球衛(wèi)星上天，衛(wèi)星觀(guān)測(cè)資料就用于地球重力場(chǎng)的確定，包括地心引力常數(shù)GM測(cè)定。人衛(wèi)激光測(cè)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(dòng)力學(xué)衛(wèi)星LAGEOS激光測(cè)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(guò)5年的LAGEOS-1資料處理在1992年解算得到的，但在解算過(guò)程中衛(wèi)星質(zhì)心誤差

15、沒(méi)有仔細(xì)考慮，同時(shí)大氣折射模型誤差也會(huì)帶來(lái)影響。2005年利用12年LAGEOS-1和LAGEOS-2激光測(cè)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(cè)衛(wèi) 激光測(cè)月,內(nèi)容要點(diǎn),,激光測(cè)月,激光測(cè)月的提出,1964年10月，美國(guó)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(shí)現(xiàn)了對(duì)其的衛(wèi)星激光測(cè)距 SLR。 不久，C.Alley,P.Bender,

16、R.Dicke等人提出了開(kāi)創(chuàng)性的想法：將激光后向反射器放置于月球表面，以開(kāi)展激光測(cè)月LLR（Lunar Laser Ranging）工作。1969年7月21日阿波羅11號(hào)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(cè)月的實(shí)現(xiàn),1969年8月1日，美國(guó)Lick天文臺(tái)用其3m望遠(yuǎn)鏡成功地觀(guān)測(cè)到來(lái)自Apollo 11反射器的激光測(cè)距回波訊號(hào)；8月 22日，美國(guó) McDonald天文臺(tái)的

17、 2.7m望遠(yuǎn)鏡亦收到回波訊號(hào)；隨后對(duì)Apollo 11反射器進(jìn)行成功測(cè)距試驗(yàn)的還有：美空軍在Arizona的Cambridge Research Laboratory；法國(guó)的Pic du Mdi天文臺(tái)；以及日本的東京天文臺(tái)。從此開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)對(duì)地月間距離進(jìn)行精確測(cè)量的歷史,激光測(cè)月（LLR）的特點(diǎn),技術(shù)原理與激光測(cè)衛(wèi)基本相同，只不過(guò)將衛(wèi)星上的激光后向反射鏡放置在月球上特定的觀(guān)測(cè)點(diǎn)，原于月球的特點(diǎn)，激光測(cè)月與激光測(cè)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(yùn)行軌道也特別穩(wěn)定，更有利于地球動(dòng)力學(xué)方面研究。月球體積巨大，在其表面可以放置多個(gè)激光后向反射鏡，有利于研究月球本身動(dòng)力學(xué)性質(zhì)；同時(shí)月球距離遙遠(yuǎn)，激光測(cè)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(cè)月在技術(shù)上遠(yuǎn)比激光測(cè)衛(wèi)復(fù)雜。,激光測(cè)月原理,用大功率激光測(cè)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(hào)；

19、測(cè)定信號(hào)的往返傳播時(shí)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(chēng)為激光測(cè)月。,激光測(cè)月觀(guān)測(cè)方程,由于地球和月球軌道星歷是以太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系給出的，因此激光測(cè)月的觀(guān)測(cè)方程常在太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系中建立；右圖給出了激光測(cè)月技術(shù)中的幾何關(guān)系。S為太陽(yáng)系質(zhì)心Oe為地球質(zhì)心Om為月球質(zhì)心P為觀(guān)測(cè)站Q為月球激光后向反射鏡R為地球質(zhì)心至太陽(yáng)系質(zhì)心距離；r為月球質(zhì)心至太陽(yáng)系質(zhì)心距離Rp為觀(guān)測(cè)站至太陽(yáng)系質(zhì)心距離rq為月球激光后向反射

20、鏡至太陽(yáng)系質(zhì)心距離Re為觀(guān)測(cè)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(guān)測(cè)站至月球激光后向反射鏡距離，即觀(guān)測(cè)距離；,激光測(cè)月觀(guān)測(cè)方程,則觀(guān)測(cè)距離在太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系可表示為（1）；距離方程線(xiàn)性化后可得觀(guān)測(cè)方程（2）；注意上式中ρ0′為單程距離，實(shí)際測(cè)量為雙程距離，且激光往返地月時(shí)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(xiě)為 （3）；,激光測(cè)月距離的改正,與地球相關(guān)的因素測(cè)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(cè)月現(xiàn)狀,目前激光測(cè)月資料累積已超過(guò)38年，為月球本身、地月系、地球動(dòng)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(cè)月資料主要用于研究月球軌道、月球引力場(chǎng)系數(shù)、慣量矩、月球自由天平動(dòng)、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(guān)測(cè)資料出現(xiàn)，用激光測(cè)距資料可開(kāi)展更深入的研究。,月球激光測(cè)距精

22、度歷史變遷,激光測(cè)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(cè)月現(xiàn)狀,激光測(cè)月的激光觀(guān)測(cè)站美國(guó)Texas州的McDonald天文臺(tái)美國(guó)Hawaii州的Haleakala天文臺(tái)法國(guó)的Grasse觀(guān)測(cè)站德國(guó)的Wettzell觀(guān)測(cè)站澳大利亞Orrorral觀(guān)測(cè)站,美國(guó)Texas州的McDonald天文臺(tái),美國(guó)Hawaii州的Haleaka

23、la天文臺(tái),法國(guó)的Grasse觀(guān)測(cè)站,澳大利亞Orrorral觀(guān)測(cè)站,德國(guó)的Wettzell觀(guān)測(cè)站,激光測(cè)月的應(yīng)用,1、月球潮汐的測(cè)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(lái)表示。月球潮汐二階項(xiàng)振幅是最強(qiáng)的，由其導(dǎo)致的形變對(duì)形變勒夫數(shù)h2和l2最大，而月球自轉(zhuǎn)變化對(duì)引力位勒夫數(shù)k2最敏感。事實(shí)上激光測(cè)月觀(guān)測(cè)距離對(duì)k2更敏感。2004年Williams、Boggs、 和 Ratcliff利用1970年至2003年的激光測(cè)月資

24、料解算得到月球勒夫數(shù)為：,激光測(cè)月的應(yīng)用,2、月球液核的研究通過(guò)激光測(cè)月資料對(duì)月球能量耗散分析，顯示月球存在一個(gè)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(shí)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(kāi)。3、月面位置坐標(biāo)目前月球探測(cè)又成為全球熱點(diǎn)，計(jì)劃中的登月項(xiàng)目將會(huì)給利用月面激光后向反射鏡的精確坐標(biāo)帶來(lái)更多的機(jī)會(huì)。這幾個(gè)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(diǎn)，作為月面大地測(cè)量的控制點(diǎn)，將有望在不遠(yuǎn)的將來(lái)得以擴(kuò)展。,激光測(cè)月的應(yīng)用,4、引力常數(shù)變化測(cè)定月球軌道運(yùn)行非常穩(wěn)定，激光測(cè)月得到的月球軌道特別有利于確定引力常數(shù)；目前測(cè)定引力常數(shù)G的時(shí)間變化每年小于：3×10e-11。5、等效原理等效原理是愛(ài)因斯坦引力理論的基礎(chǔ)，可通過(guò)檢驗(yàn)月球和地球在太陽(yáng)引力場(chǎng)的加速度是否相同來(lái)驗(yàn)證等效原理；如果等效原理有效，月球軌道將沿地球太陽(yáng)連線(xiàn)變化，產(chǎn)生