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卫星激光测距技术综述
摘要：卫星激光测距是目前精度最高的绝对定位技术。SLR在各方面有着广泛的应用。本文全面介绍了卫星激光测距的发展、原理、测量系统，数据处理，以及其应用。有助于我们更全面了解卫星激光测距技术。
关键词：卫星激光测距
中图分类号：P228文献标识码：B

卫星激光测距,也成激光测卫(SatelliteLaserRanging,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。60年代初由美国宇航局(NASA)发起。经过30多年的发展，SLR已取得了巨大的成绩。观测的精度由最初第一代的几米，提高到现在第三代的几厘米甚至毫米，目前，它是卫星单点定位中精度最高的一种，精度可达1cm。利用该技术，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。观测站现分布于全球近30个国家的40多个观测台站，观测的卫星现已经到到几十颗。
1基本原理
所谓激光，是指光的受激辐射，它可以实现光的放大。激光具有高能，谱线很窄，发射角小，激光脉冲宽度量级小等特点。
激光测距的原理就是使用激光地面测站上的激光测距仪向激光卫星发射激光脉冲信号，该信号被棱镜反射后返回地面测站，精确测定激光脉冲信号往返传播的时间，进而计算出卫星质心到测站仪器中心的距离。在计算过程中，还应对大气中的光速值和卫星的质心等进行精确的修正，并对测量中的光路和电气系统的时延等进行严格的标定。
具体来说，激光器能够经过一定的时间产生脉冲信号（例如每秒产生10个）。这些脉冲信号的宽度很窄（如1ps即10-10s）。这些脉冲信号通过发射望远镜发往卫星，与此同时上述信号也分流至计时器，形成开始计数的信号。脉冲信号到达安置在卫星表面上的后向反射棱镜后沿原路返回测距仪，计时器收到关闭信号后计数器立刻停止计数。将计数器所记录的振荡次数除了振荡频率后即可得信号往返传播的时间。从激光测距仪中心至卫星质心间的距离为：

式中c为真空中光速取得299792.458km/s

图1激光测卫示意图
2激光测距仪
根据其构造及精度分：
第一代：脉冲宽度在10～40ns，测距精度约为1—6m。多数采用带调Q开关的红宝石激光器。
第二代：脉冲宽度2～5ns，测距精度为30～100cm，多数采用了脉冲分析法；
第三代：脉冲宽度为0.1～0.2ns，测距精度为1～3cm，多数采用锁模Nd:YAG激光器。能在计算机控制下实现对卫星的自动跟踪和单光子检测技术。
整个测距仪是由激光器，望远镜，光电头，脉冲测量系统，时频系统和计算机等部分组成的。
（1）激光器
目前用作测距的激光器大体有红宝石激光器和掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）两类。
（2）望远镜
激光测距仪中的望远镜具有发射、接收信号，以及瞄准卫星等功能。既可分设3个望远镜分别实现上述功能，也可用一台望远镜实现上述功能。望远镜安置在转台上可绕横轴和竖轴转动，以指向不同方位角和不同高度角的卫星。
（3）光电头
光电头由窄带干涉滤光片和光电倍增管等组成。干涉滤光片可限制其它波长的杂散光而仅让激光信号通过，从而能大幅度减少天空背景噪声的影响，并使激光测距有可能在白天进行。光电倍增器应该选用响应时间极短，热噪声极小，增益大的元器件。
（4）脉冲位置测量系统
量测回波脉冲的位置准确与否将直接影响测距精度。
从卫星返回的回波脉冲由于受到大气干扰等原因而产生畸变。因而确定脉冲中心的位置时需采取一些特殊的方法，如通过测定信号波形面的矩心来予以测定等。采用单光子检测技术时自然不再需要对脉冲进行分析。单光子识别分析采用的是单光子雪崩二极管或触发雪崩二极管等技术。

图2卫星测光测距中发射脉冲(a)和接受脉冲信号(b)
（5）时频系统
时频系统具有下列两个功能：一是为计数器等设备提供稳定的频率，其稳定度应优于10-10。当卫星距离测距仪的距离为1万公里时，由于频率稳定度误差所造成的影响小于1mm。二是记录观测时刻，此项误差不应大于1㎲。由于卫星运动速度小于8km/s，1㎲的误差相当于8mm。原子钟和好的石英钟均可满足上述要求。本机钟与标准时间进行时间比对可以采用GPS等方法进行。
（6）伺服系统
根据测站坐标的方位角和激光卫星的预报星历可求出不同时刻卫星的方位角和高度角，伺服系统的马达能在计算机控制不断驱动望远镜绕纵轴和水平轴旋转以平稳地连续地跟踪卫星，而且可使卫星以一次通过时观测值的个数增加至数千个。
（7）计算机
现代人卫测距仪均配备了计算机和相应的软件。其主要功能是：进行卫星轨道预报，通过伺服系统实现自动跟踪，设置距离门，采集观测数据，进行数据预处理等。
3激光测距卫星
凡是安装