卫星激光测距技术与应用

摘要：卫星激光测距(Satellite Laser Ranging)技术是现代空间大地测量最先进技术之一，它可以为人造卫星提供精密的距离观测和定轨，在其他领域中也得到广泛应用。

关键词:SLR；SLR发展；卫星精密定轨

一、卫星激光测距定义

卫星激光测距也称激光测卫，是目前空间大地测量技术中精度最高的一种。卫星激光测距（satellite laser ranging，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。是卫星单点定位中精度最高的一种，已达厘米级。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。

二、SLR特点及其发展历史

空间大地测量和地学研究在很大程度上依赖于大量、精确的观测数据,这些数据包含广阔的空间和时域上的频谱信息。卫星激光测距――SLR的工作原理是通过精确测定激光脉冲从地面观测点到装有反射器卫星的往返时间间隔,从而算出地面观测点至卫星的距离。1960年,美国研制了第一台红宝石激光器,证实了激光具有远程测量的能力。1962年,美国人Henry Plotkin提出在飞行器上安装激光反射器,并应用于大地测量。1964年10月,美国在BE-B卫星上实现了人造卫星激光测距,当时的精度为米级。从上世纪60年代至90年代近30年间, SLR的观测量和观测精度都提高了几个数量级。90年代DORIS、GPS这些运用电磁方法的测量手段已能达到SLR的性能指标,同时由于新技术的出现也使SLR性能得以提高:通过雪崩单光子二极管(欧洲使用)和微通道光电倍增器(美国使用)和其它技术的使用, SLR的测量精度已达到厘米级。

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。

三、SLR与其他空间大地测量技术的比较

除了SLR,同样是目前精度很高的空间测量技术的GPS和甚长基线干涉测量(VLBI),近年来也取得了长足的进步,这三种技术实现的地心坐标的标称精度均在1~3 cm之内。三种空间技术的原始观测数据由各自的数据处理中心解算地心坐标。由于数据处理中初始方差的选择不同,单一技术所得地心坐标的标称精度只是一种内符精度,不能反映地心坐标的真实精度。任意两种技术实现的地心坐标之间的比较才能反映地心坐标的真实精度。通过两种技术的并置观测,在消除了两种坐标之间的系统差,把它们变换至同一参考框架后,各个并置站两种技术实现的地心坐标不符值的中误差,就反映了两种技术测定的站坐标的真正精度。

在比较三种方法精度时,由于三种技术实现的地心坐标不同,需先将他们转换到统一坐标系统下再进行比较。这里采用参数转换法。

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其中,X0, Y0, Z0为源坐标原点在目标坐标系中的坐标;ε1,ε2,ε2为源坐标系与目标坐标系的旋转参数;D为尺度参数。经过变换后加上偏心改正,可得

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其中,ΔXeccen,ΔYeccen,ΔZeccen,分别为2种技术测站点不一致所加的偏心改正。

比较中的VLBI地心坐标数据来自美国宇航局(NASA)哥达德航空飞行中心提交给国际地球自转服务机构( IERS)的SSC(GSFC)96R01解, SLR地心坐标数据选自美国德克萨斯大学大地空间研究中心提交给IERS的SSC(CSR)96L01解, GPS地心坐标选自美国加州技术研究院喷气推进实验室(JPL)提交给IERS的JPL96P01解。

通过VLBI与SLR并置站地心坐标及偏心数据的标称精度, GPS与SLR并置站地心坐标及偏心数据的标称精度，GPS与VLBI并置站地心坐标及偏心数据的标称精度等的比较,得出以下结论：

三种技术的地心坐标的实际坐标在3个坐标轴方向的加权不符值绝大部分都在2cm以内，这说明三种技术各自实现的地心坐标的精度的确在1~3cm内,与之前的期望值相符；VLBI与GPS的地心坐标精度符合较好,一般小于1cm,但SLR与前两者的精度符合较差一些,这说明SLR技术实现地心坐标的精度要差一些。这是因为SLR在确定地心坐标的过程中无法得到岁差、章动改正,所以导致计算结果有误差。只有与射电源建立关系才能感应岁差、章动,这也是SLR未来发展一个需要解决的问题。从上述结论可以看出,如将GPS、VLBI、SLR三种技术联合实现并置,得出全新的测量方法,将极大地提高观测结果精度。

四、卫星精密定轨发展及应用

卫星定轨技术随着测量精度的提高、估计理论和计算机的发展而不改进。在计算机高速发展的前提下，人们有可能引入各种估计理论，精密地确定卫星轨道。在估算卫星轨道时，会用到大量观测资料的统计特性，因此也叫统计定轨。

卫星定轨的技术手段很多，传统的卫星定轨大多采用卫星激光测距(SLR)、精密测距测速(PRARE)、多普勒定轨和无线电定位(DORIS)等技术手段。对轨道比较低的测地卫星，由于受地球引力场的影响比较大，大气阻力干扰严重，采用传统定轨方法得到的卫星轨道精度比较低。随着GPS观测技术的出现，使得利用星载GPS观测技术进行卫星轨道确定成为卫星精密定轨的一个有效手段。

由于越来越多的卫星具有多种观测技术手段，利用多种观测技术对卫星跟踪观测，可以获得几种不同类型的观测资料。从目前来看，SLR技术是精度最高的一种人卫观测技术，但由于观测条件限制，不能进行连续观测，因此观测资料相对较少，而DORIS和GPS技术虽能连续观测，但观测精度却相对较低。所以，仅利用单一技术进行定轨不能充分发挥他们各自的特点，如果能将它们联合起来利用，将有利于提高定轨精度。为了充分利用各种观测技术所获得的观测资料，可以采用多种技术综合定轨。多种技术综合定轨有四个明显的特点:①增加观测总量，②扩充观测弧长，③增强观测量的几何特性，④有利于系统误差补偿。正是由于这四个特点，使得综合利用各种观测资料成为提高卫星定轨精度的一个有效手段。

五、利用SLR进行卫精密定轨

卫星激光测距(SLR)数据处理涉及卫星的状态(位置和速度)、观测站的位置以及激光在大气中的传播。利用卫星激光测距仪测得的激光脉冲往返于测站和卫星之间的时间换算为两者之间的距离，这就是SLR数据处理的观测量。

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:①首先从观测得到的数据ρ0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体潮、海潮和极潮影响等。②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。③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。

影响SLR技术定轨精度的因素主要有以下四个方面:

(1)观测模型误差(包括测距误差、测站分布情况、台站坐标误差、测距系统误差改正程度等)；

(2)描述卫星运动的力学模型不精确而引起的力学模型误差；

(3)状态方程和观测方程线性化带来的误差；

(4)计算过程中引进的数值误差。

由于计算机的发展和计算方法的改进，计算中的数值误差已经相当小，可以忽略其影响，线性化误差的影响可以通过迭代得到解决。测距系统的误差改正，目前己考虑得很精细，众多改正中，最不容易精确化的大气折射改正，采用Marini和Murray公式，其误差也只有1~2cm。观测分布的不均匀是影响SLR技术定轨精度的主要因素。力学模型误差也是影响SLR技术定轨精度的主要因素之一。影响短弧定轨精度的主要因素是观测误差。为了减小力学模型误差对轨道的影响，需要考虑尽量精确的力学模型，同时还可以通过在力学模型中加经验项来吸收未模制的系统误差。

作为专门用于激光测距技术进行地球动力学研究的LAGEOS卫星，由于具有轨道高、面质比小、球形对称，观测资料积累时间长等特点，因此，利用以GEOS卫星观测资料开展的科学研究特别多，取得的成果也特别丰富。目前对LAGEOS卫星3天弧段的定轨精度可达1厘米。

六、SLR技术在GLONASS卫星定轨中的应用

GLONASS(Global Navigation Satellite System)是由苏联开始研制后由俄罗斯继续完善的全球导航系统它与美国全球定位系统(GPS)是两个具有全球导航定位能力的卫星系统，既相互竞争，又相互补充。

GLONASS卫星的轨道为3个等间隔圆轨道面，高度约为19140公里，轨道倾角为64.8 ?，每个轨道面上按45 ?间隔分布8颗卫星，绕地周期为11小时15分44秒±5秒。由于GLONASS卫星的轨道较高，太阳辐射压对其影响较大，同时没有针对GLONASS卫星的太阳辐射压模型，在采用其它太阳辐射压模型时，会由于模型的不准确而对GLONASS卫星精密定轨产生较大的影响。为了更好地吸收未模型化的摄动力，特别是一些具有周期性的摄动力，我们引入RTN经验摄动模型在测量模型方面，由于卫星形状的不规则，造成激光反射器到卫星质心的改正不够准确。所有计算中心在利用SLR资料计算GLONASS卫星轨道时，质心改正采用工GEX推荐值:-1.51m，而Vasiliev通过对GLONASS卫星的研究，发现质心改正值应为-1.5416m，两者之间存在着3.16cm的误差。

在计算中，质心改正为-1.51m，太阳辐射压和地球反照辐射压的有效面积分别为24m2，和15m2，反射系数为1.4，卫星的质量为1413kg。地球引力场模型采用JGM-模型，行星历表采用DE403/LE403及其配套的参数，站坐标及各站的运动速度采用ITRF2000坐标系相应数值，极移采用IERS C04极移序列。

综上所述，本文在利用sLR资料精密测定GLONGASS卫星轨道时，采用的力学模型、测量模型、参考系、数值标准以及解算参数为:

1、力学模型:地球中心引力、地球非球形摄动(JGM3地球引力场模型)、n体摄动(日、月及九大行星)、太阳辐射压和地球反照辐射压摄动、地球自转形变摄动、广义相对论摄动、固体潮及海潮摄动、RTN经验加速度。

2、测量模型:大气折射改正、卫星质心改正、广义相对论效应改正、测站偏心改正、地球自转形变对台站的影响、固体潮对台站的影响、海洋负荷造成的测站位移。

3、参考系:J2000.0惯性坐标系、ITRF2000坐标系、DE403/LE403行星历表。

4、数值标准:

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5、解算参数:卫星起始历元的位置和速度，太阳辐射压的3个动力学参数，以及RTN经验摄动中3个分量的振幅和相位。

以7天为弧段对GLONASS卫星进行了精密定轨。通过计算发现，7天弧段中SLR的标准点数据在100个左右，定轨后的残差中误差rms约为2cm。

七、SLR发展方向及其展望

据国际上比较流行的看法, SLR技术的进一步发展方向如下: 1)用各种技术手段和方法提高测距精度和观测数据量。2)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。

参考文献：

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[2]郭唐永,王谭强.大地测量与地球动力学,2002；

[3]叶叔华,黄A.天文地球动力学.济南:山东科学技术出版社, 2000；

[4]张强，廖新浩，黄诚.两种观测技术综合精密定轨的探讨.天文学报.2000。