空間目標激光測距技術發展及應用
衛星激光測距技術（Satellite Laser Ranging，SLR）起始於20世紀60年代，是一項利用激光脈衝來精密測量地面測站到空間目標距離的觀測技術。
衛星激光測距技術的發展主要表現在測距精度的不斷提高和應用領域的不斷拓寬。隨著相關科學技術的發展，特別是激光器技術的發展，衛星激光測距的精度從最初的米級精度提高到目前的厘米級乃至毫米級精度。觀測數據的應用範圍由傳統的精密定軌定位、地球重力場確定延伸至導航衛星精密軌道標校、空間碎片測量、時間傳遞、激光通信以及星際探測等多個領域。
經過50多年的發展，SLR技術已取得了巨大的成績，展現了其旺盛的科學生命力。SLR技術與甚長基線干涉測量技術（ Very Long Baseline Interferometry,VLBI）、全球衛星導航技術( Global Navigation Satellite System,GNSS)共同組成了空間大地測量中三大高精度測量技術。
1998年基於激光測距全球聯測、數據共享的需求，國際上成立了國際激光測距服務 (International Laser Ranging Service, ILRS) 組織，負責全球SLR聯合觀測的協調和國際合作的組織工作，統一指導SLR的觀測和數據的應用。
激光測距技術簡介
衛星激光測距技術（SLR）是20世紀60年代初由美國國家航空航天局（NASA）發起的一項旨在利用空間技術研究地球動力學、大地測量學、地球物理學和天文學等的技術手段。自1960年世界上第一台紅寶石激光器問世不久，以精密測距為主要功能的激光測距技術便隨之誕生了，它們的發展是因為激光測距具有高精度測量的能力。
1963年，NASA Ｇoddard 空間飛行中心的Ｈenry Plotkin提出在衛星上安裝激光後向反射器的建議，當時的主要目的是應用於大地測量。1964年10月，美國NASA發射了第一顆帶有激光後向反射器的衛星「Beacon-B」，並很快獲得了第一次衛星激光測距數據。從此，一種新的空間測量技術———衛星激光測距技術便發展起來。
經過50多年的發展，SLR已取得了巨大的成績。觀測的精度由最初第一代的幾米提高到現在的幾厘米甚至幾毫米；觀測站由原來的只由NASA支持的幾個站壯大到現在的分布於全球近30個國家的50多個觀測台站；觀測的衛星也由最初的一顆（探險者22號）增加到現在的幾十顆。圖1為SLR台站的全球分布情況，圖2為國際激光測距服務組織觀測的衛星。
圖1 SLR台站分布
圖2 國際激光台站觀測的衛星
作為人造衛星軌道高精度測量手段之一，衛星激光測距技術也日臻完善，與其他空間觀測技術相比有如下特點：
（１）激光波束很窄，方向性極強，沒有地面反射等造成的干擾，具有特別高的有效功率和光源亮度，因此即使衛星運行到地影之中，目視觀測不能進行時，也可以對它進行距離和角度測量。
（２）激光的波長短，其測距精度比一般的微波波段雷達高1~2個數量級，因此用激光測距資料計算出的衛星軌道精度比雷達測量結果要高得多。由於激光光束具有高度單色性的特點，因此，當天空背景對目視和照相觀測來說還是太亮時，激光測距也能進行觀測。用一個帶有窄帶濾光片的光電探測器，就可以把激光回波從天空背景的雜訊中區分出來，實現白天測距。
（３）衛星激光測距的回波信號是通過裝在衛星上的一組角反射器反射地面激光器的發射信號而實現的，它不消耗星上能源。因此，用於激光測距的衛星可以長期進行工作，不受星上能源的限制。
（４）與一般雷達相比，激光測距系統具有體積小、質量輕、造價低的優點。當然，同其他光學觀測一樣，由於所用激光屬於光波波段，在某些氣象條件下（如多雲和陰雨天氣）則不能正常工作。
可以說，衛星激光測距是一項綜合技術，涵蓋了雷達、激光、電子、自動控制、精密機械、衛星軌道等多個學科領域。各學科日新月異的發展也同時推動了激光測距技術的進步。
隨著衛星激光測距技術的發展和對空間碎片探測的精度需求，激光測距技術也已用於空間碎片探測。激光測距技術是目前最先進的碎片觀測技術，對低軌空間目標的單次測距精度可優於1ｍ，比雷達和光學攝影技術要高1~2個數量級，利用少量的激光測距觀測值有可能得到較精密的碎片軌道信息，對中高軌道（軌道高度在2000km以上）的目標，往往可以整夜觀測，因此很好地彌補了地基雷達探測距離的缺陷。
激光測距技術發展
激光測距技術的發展大致表現在兩個方面：首先是應用各種新技術和設備提高測距精度和觀測數據量；其次是提高測距系統的自動化程度，減小人力和物力的消耗。
（１）在測距精度上，從最初的米級逐步提高到分米級、厘米級，目前國際上最先進的台站其測距精度已能達到毫米級。
（２）在測距能力上，從最初的1000～2000km提高到2萬km，乃至3.6萬km。激光測月（Lunar Laser Ranging,LLR）的實現使測距能力達到了38萬km。
（３）在測距頻率上，從最初的每秒一次發展到目前每秒1000～2000次，更高頻率的激光測距（如10kHz測距）也在試驗中。
（４）在測距波長上，目前普遍採用的仍是單色測距系統，一些台站也在使用雙色／多色激光測距系統。雙波長激光測距系統不再需要大氣物理參數和大氣模型的修正，只需測量結果本身即可修正大氣延遲，就能達到更好的數據精度。
（５）在自動化程度上，從初期的人工目視跟蹤、觀測時間局限在黃昏至凌晨衛星被太陽照明的初級時代，發展到今天計算機控制、自動跟蹤的新一代全自動激光站，不少測距站還可晝夜工作，所獲得的資料數大幅度增加。
（６）在測距站的建設上，早期只有幾個固定站，20世紀70年代NASA建立了流動站，目前全世界有50餘個觀測站，其中包括約10個流動站。這些站分布在地球上除南極洲以外的所有大陸洲。
空間目標激光測距技術的應用
空間目標激光測距技術在監測大陸板塊運動、地殼形變、地球自轉，改進地球重力場和地心引力常數，確定地球和海洋潮汐變化的規律，監測空間碎片等方面具有重要作用。它也是當前高精度衛星精密定位觀測的主要手段之一，是現代各種定位觀測手段中單點採樣精度最高的一種，是支持國際地球自轉與參考系服務（IERS）的技術手段之一。衛星激光測距技術在如下應用方面已經取得了顯著的成就，具有廣闊的應用前景。
精密測定激光衛星的軌道
利用Lageos-1&2衛星的激光觀測數據所確定的軌道精度，3天弧段可達1cm；對於TOPEX／Poseidon的徑向定軌精度可達到2～2.5cm；在利用SLR技術精確測定GPS和GLONASS衛星的軌道，以校驗無線電技術測定的軌道時，發現SLR測得的距離比無線電技術確定的距離平均短5cm。
精確測定測站的地心坐標，建立地球參考系和參考框架
SLR技術可以精確測定地面測站的地心坐標，建立和維護地球參考框架，包括地球質心位置和尺度因子。在不同的空間大地測量技術中（如SLR，VLBI，GNSS和DORIS等），SLR給出了最佳的地心位置和地球尺度因子。SLR技術測定的三維地心坐標是以地球質心為坐標原點，並以此建立了精確的地球參考系。利用SLR技術，測站坐標的三維地心坐標的測定精度可達到2～3mm。其中高程的測定誤差與水平方向的測定誤差相近，SLR技術是空間技術中測定高程精度最高的觀測手段。
精確測定地球引力場模型及其時變性
在研究地球質心的位置變化過程中，SLR技術測定了目前最準確的地球引力常數GM，其測定值為：GM＝398600.4415km3／s2
；利用不同軌道傾角和高度的激光衛星，精確測定了地球引力場模型，並且測定了地球引力場低階球諧係數的季節性變化；同時還得出了地球質心位置的周期性變化，包括季節性和年際變化，最新的測定值為：J2＝-2.6*10-11／年（曆元1986.0）；地球引力場的變化反映了地球內部及各圈層（包括海洋、大氣、地下水、冰層等）的複雜運動和相互作用過程，具有重要研究價值。
精確測定地球自轉參數
地球自轉參數（ERP）定義了地球旋轉軸和隨時間序列的定向運動以及在天球參考框架中的旋轉速度。地球自轉參數包括極移和日長（LOD）變化。利用SLR技術測定的地球極移分量（XP，YP）精度目前已達到0.1～0.2mas；日長（LOD）的測定精度目前已達到0.1ms。
監測全球地殼板塊運動
利用SLR長期觀測數據可以精確地測定地面測站的地心坐標，高精度測站坐標的解算使得人們監測板塊運動的願望成為可能。利用SLR觀測數據，已經估計了40多個測站的站速度和站間基線的變化率。如果測站位於板塊的剛性部分，則其站速度就代表了板塊運動。利用測站基線的變化率和站速度可以解算板塊間的相對運動。
高精度海平面和冰蓋地形的測量
SLR技術與其他空間技術（如GNSS、雷達高度計、SAR等）聯合應用，將可能實現毫米級精度的海平面和冰蓋地形的測量。
全球範圍高精度時間傳遞
激光時間傳遞利用光脈衝在空間的傳播實現遠距離兩地間時鐘的同步，是目前精度最高的時間傳遞方法。利用衛星上安裝的銫原子鐘或氫原子鐘、激光反射器、光子接收器和高精度事件計時器等，結合現有地面站的SLR系統，可以實現全球範圍的高精度時間傳遞，目前傳遞的精度可以達到50ps。
激光通信
SLR技術是利用光學波長來觀測衛星，這一技術可用於支持未來空對地和地對空的激光通信試驗。在過去的近二十年里，已經在空間飛行器之間或者空間飛行器和地面測站之間進行了一些高帶寬的激光通信試驗。在月球探測器LRO試驗中，利用低帶寬的激光通信鏈路，經過38萬km的地月距離，成功地傳輸了一幅蒙娜麗莎的圖像。
驗證廣義相對論
根據Lageos-1和Lageos-2兩顆激光衛星的測距數據（1993年1月～1997年1月），第一次測出了Lense-Thirring效應的參數μ＝1.1±0.2，很接近廣義相對論預報值（μ＝1）。這是對廣義相對論的基本預言之一的第一次精確測量結果。
行星科學研究
往返方式的測量信號強度將以距離的負四次方的量級減弱，使得傳統的激光測距方法用於行星際間的探測變得很不現實。然而，如果在行星探測器上安裝非同步激光應答器，利用地面SLR站可以進行星際間的激光測距，信號強度的衰減將變成距離的負二次方，使得星際間的探測可以進行。探測的結果將有助於研究行星自轉和行星動力學，如行星的歲差、極移和日長等。可以改進行星軌道歷表，這對研究太陽系動力學、行星大氣和固體球體的相互作用、廣義相對論等有重要意義。
空間碎片軌道確定和監測
利用激光測距技術可以精確測定空間碎片，確定碎片軌道位置，為空間碎片監測和空間碰撞預警系統提供精密軌道信息。
本文由安靜摘編自趙春梅、桑吉章、瞿鋒、郭金運、衛志斌、李語強著《空間目標激光測距技術及應用》前言及第1章，內容有刪減。
978-7-03-048204-4
《空間目標激光測距技術及應用》全面系統地介紹了空間目標激光測距的基本原理、基本技術以及在相關領域的應用成果。內容涉及激光測距的理論基礎、測距系統的基本組成、測距數據的採集與處理以及在地學、空間科學等領域的應用成果。本書首先簡要介紹了衛星激光測距技術的產生、發展以及相關的國際組織機構，闡述了常用的坐標系統和時間系統；然後從激光測距的基本理論出發，論述了有關的探測概率，分析了測距過程中的誤差源。在介紹測距系統基本組成的基礎上，較為詳細地介紹了系統中的激光發射技術、光電接收技術、測距控制技術以及數據預處理方法；針對激光測距的應用處理方法，論述了計算模型、解算方法以及在地球動力學領域的應用成果；最後介紹了激光測距技術在空間碎片觀測領域的應用方法與成果。
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（責編：tibet）
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