五分钟带你走进“SLR”世界

卫星激光测距技术发展      

卫星激光测距（Satellite Laser Ranging，SLR）是一项利用激光脉冲来精密测量地面测站到空间目标距离的观测技术。卫星激光测距技术（SLR）是20世纪60年代初由美国国家航空航天局（NASA）发起的一项旨在利用空间技术研究地球动力学、大地测量学、地球物理学和天文学等的技术手段。自1960年世界上第一台红宝石激光器问世不久，以精密测距为主要功能的激光测距技术便随之诞生了，它们的发展是因为激光测距具有高精度测量的能力。1963年，NASA Goddard空间飞行中心的Henry Plotkin提出在卫星上安装激光后向反射器的建议，当时的主要目的是应用于大地测量。1964年10月，美国NASA发射了第一颗带有激光后向反射器的卫星“Beacon-B”，并很快获得了第一次卫星激光测距数据。从此，一种新的空间测量技术—卫星激光测距技术便发展起来。

经过数十年的发展，SLR已取得了巨大的成绩。观测的精度由最初第一代的米级提高到现在的厘米级甚至毫米级；观测站由原来的只由NASA支持的几个站壮大到现在的分布于全球近30个国家的50多个观测台站；观测的卫星也由最初的一颗（探险者-22号）增加到现在的近百颗。

卫星激光测距原理

卫星激光测距系统是集光机电为一体的复杂精密仪器系统。卫星激光测距系统在测距工作时，激光器产生的激光脉冲经曲折光路（Coude光路）引入发射望远镜。发射望远镜将激光光束准直后射向带后向角反射器的人造卫星。同时在激光器的出射光路中取出很小一部分激光，通过主波取样电路形成电脉冲，分成两路：一路称为主波脉冲，经脉冲分配器整形后作为开门信号或开始信号，用于启动时间间隔计数器或事件计时器；另一路进入计时电路，为记录激光发射时刻服务。射向人造卫星的激光脉冲，经角反射器反射后返回地面，由接收望远镜系统接收，通过接收望远镜的接收光路经光电转换器件转换为电脉冲，经脉冲分配器整形后形成回波脉冲，作为关门信号或停止信号，用于停止时间间隔计数器或事件计时器的计数。这样，时间间隔计数器或事件计时器便记录下了主波脉冲和回波脉冲之间的时间间隔，即激光在测站和卫星之间的往返飞行时间，经转换即可计算出测站和卫星之间的距离。

激光测距原理示意图

卫星激光测距系统组成 

激光测距系统可分为：激光发射、回波接收、测距控制、信息处理和数据传输等部分。激光发射部分的作用是产生峰值功率高、光束发散角小的脉冲激光，使其经过发射光学系统进一步准直后射向被测的空间目标。回波接收部分是接收从观测目标反射回来的微弱激光脉冲信号，经接收光学系统聚焦后入射在光电探测器的光敏面上，使光信号转变为电信号，传输至计时设备。测距控制部分控制着激光发射时刻、回波接收时刻，并控制着接收望远镜的运动。信息处理的主要作用是进行空间观测目标的测站预报，实施目标跟踪，测量激光脉冲从测距系统参考点到被测目标往返一次的时间间隔，并显示和记录观测的结果，形成标准格式的数据。数据传输部分的作用是通过通讯网络接收轨道预报星历参数和其它工作指令，上传观测结果所产生的标准格式数据等。

激光测距系统包括望远镜转台分系统、激光器分系统、光电接收分系统、伺服驱动控制分系统、测距控制分系统、微光导星分系统和软件分系统等。

激光测距系统组成

激光测距卫星

1964年10月美国NASA发射了第一颗带有后向角反射器的激光卫星，并首次获得了激光测距数据。之后，随着激光测距技术的不断发展，越来越多的卫星通过在星上安装后向角反射器来利用激光测距高精度的优势。这些卫星有的是专门用于激光测距的，有的是利用激光测距技术为其他的科学目标服务。目前在轨观测的激光测距卫星约有40多颗，曾经观测过的激光卫星已有130多颗。观测时间最长的卫星为Beacon-C卫星，发射于1965年4月29日，主要用于地球重力场系数的计算。

地球动力学(Geodynamics)卫星，主要包括Lageos-1& 2、Etalon-1& 2、Ajisai、Starlette、Stella等。这类卫星是SLR的主要合作目标，它们通常是实心的球体，表面上布满后向角反射器。这类卫星的面质比较小，受大气阻力摄动的影响较小，卫星定轨精度高；同时卫星的形状规则、反射均匀，使得对它们的距离测量可以高精度地归算到它们的质心。这类卫星在全球参考框架维护、地球自转参数解算等应用领域发挥了主要的作用。

地球遥感(Earth Sensing)卫星，包括ERS、Envisat卫星，TOPEX /Poseidon、GFO、JASON-1&2卫星，以及我国的海洋二号卫星（HY-2A）和资源三号卫星（ZY-3）等。这类卫星通常是搭载一些科学仪器，用来研究和监测地球。由于搭载一些设备以及太阳翼板，这类卫星的形状一般是不规则的，所以作用到卫星上的大气阻力和太阳辐射压等都很大。这时SLR高精度的观测数据可用于卫星的精密定轨或轨道标校，为雷达高度计观测数据的精密标定，从海洋水准面的角动量变化中提取观测仪器的长期漂移等提供了唯一的手段。

导航定位(Navigation & Positioning )卫星，包括美国的GPS系列、俄罗斯的GLONASS系列、欧盟的GALILEO系列以及我国的BDS系列等导航卫星。这类卫星的轨道很高, 都在2万km以上，我国的北斗导航卫星中的GEO卫星和IGSO卫星位于3.6万km高的地球同步轨道上。由于我国BDS系统尚未实现全球布站，联合SLR和GNSS观测数据进行北斗导航卫星定轨，可提高导航卫星的定轨精度。

科学试验(Science Experiment)卫星。这些卫星大多针对某个特别的科学试验目标进行较为短期的SLR观测。例如，美国的Spinsat卫星，是一颗直径为22in（1in=63.5px）、配备了一组电控固体推进器的球形卫星，于2014年11月28日从国际空间站利用一个机械手臂发射出去，用于测试新型电控固体推进器的工作能力。俄罗斯的Blits小卫星由两个半球组成，一个是低折射率玻璃半球，另一个是内部有球形透镜的高折射率玻璃半球，玻璃球形卫星的总半径为85.16mm。卫星发射的目的是对球形玻璃后向反射器概念卫星的试验论证，同时通过毫米级、亚毫米级精度的SLR数据来解决地球物理学、地球动力学以及相对论等学科的科学问题。

激光测距卫星