高精度的衛(wèi)星激光測距

　　2009年，位于南半球的阿根廷發(fā)行了一枚天文題材的紀(jì)念郵票。郵票右邊是天文臺的圓頂，中間用西班牙文標(biāo)注了天文臺的名字——費(fèi)利克斯?阿吉拉爾天文臺，左邊是由中國測繪科學(xué)研究院和中科院國家天文臺聯(lián)合研制的衛(wèi)星激光測距儀的望遠(yuǎn)鏡部分。
　　在阿根廷發(fā)行的紀(jì)念郵票上，怎么會出現(xiàn)我國研制的儀器呢？
　　原來，從1999年開始，阿根廷就開始與我國進(jìn)行科技合作，國家天文臺與阿根廷圣胡安大學(xué)籌備建立了一個新的衛(wèi)星觀測站，開展合作觀測與研究。由于圣胡安氣候干燥、晴天多，年均有多達(dá)約300個可觀測日，非常適合進(jìn)行包括衛(wèi)星觀測在內(nèi)的天文觀測。隨后，中國測繪科學(xué)研究院與國家天文臺聯(lián)合研制了這臺第三代高精度衛(wèi)星激光測距儀（發(fā)射和接收口徑分別為25厘米和60厘米），如圖1所示。
　　儀器于2005年底安裝在圣胡安大學(xué)的費(fèi)利克斯?阿吉拉爾天文臺，2006年初完成調(diào)試，并投入運(yùn)行，測程和精度等主要指標(biāo)立即達(dá)到了國際激光測距服務(wù)組織的規(guī)范，獲得正式臺站編號7406。該系統(tǒng)結(jié)果的總體指標(biāo)在2006年位列全球第六名，這是我國衛(wèi)星激光測距（SLR）觀測歷史上的最好成績；2007年又進(jìn)一步，位于第五名；2008年則躍居全球第三名（總觀測量和對觀測難度較大的高軌衛(wèi)星的觀測量居全球第二名）。
　　為了支持和紀(jì)念中阿科技合作，阿根廷于2009年度發(fā)行了這枚紀(jì)念郵票。
　　
　　什么是衛(wèi)星激光測距
　　
　　衛(wèi)星激光測距（satellite laser ranging，簡稱為SLR），是利用安置在地面上的衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)所發(fā)射的激光脈沖，跟蹤觀測裝有激光反射棱鏡的人造地球衛(wèi)星，以測定測站與衛(wèi)星之間的距離的技術(shù)和方法。
　　衛(wèi)星激光測距是衛(wèi)星單點(diǎn)定位中精度最高的一種，已經(jīng)達(dá)到厘米級。它可以精確測定地面測站的地心坐標(biāo)、長達(dá)幾千千米的基線長度，衛(wèi)星的精確軌道參數(shù)，地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、地心引力常數(shù)、地球重力場球諧系數(shù)、潮汐參數(shù)以及板塊運(yùn)動和地殼升降速率等。
　　衛(wèi)星激光測距技術(shù)的出現(xiàn)，為空間大地測量學(xué)家族增加了新的成員。這個家族還包括衛(wèi)星雷達(dá)測高、甚長基線干涉測量、月球激光測距、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、合成孔徑雷達(dá)干涉測量、衛(wèi)星多普勒定軌定位系統(tǒng)和精密測距測速系統(tǒng)等7種技術(shù)。衛(wèi)星激光測距的觀測距離，可以抵達(dá)距離地球約38萬千米外的月球，精度為厘米級。
　　衛(wèi)星激光測距的出現(xiàn)與科技的進(jìn)步密不可分。1957年10月4日，第一顆人造地球衛(wèi)星由前蘇聯(lián)發(fā)射成功。20世紀(jì)60年代初，梅曼的紅寶石激光器研制成功。這兩大技術(shù)，為衛(wèi)星激光測距技術(shù)的誕生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
　　衛(wèi)星激光測距的原理，就是利用安置在地面衛(wèi)星觀測站的激光器發(fā)射的激光脈沖，測定從地面衛(wèi)星觀測站到配置了角反射器的衛(wèi)星之間的距離。
　　激光脈沖從衛(wèi)星觀測站的激光器發(fā)射到衛(wèi)星上，被在太空飛行的衛(wèi)星上的角反射器反射，再回到衛(wèi)星觀測站。因此，激光的傳播時間和光速的乘積，為衛(wèi)星觀測站到衛(wèi)星之間距離的兩倍。
　　
　　衛(wèi)星激光測距的系統(tǒng)構(gòu)成
　　
　　實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星激光測距，需要衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)的支持。該系統(tǒng)主要包括以下3部分：
　　一是空間部分的激光測距衛(wèi)星。
　　這些衛(wèi)星可以是專用的地球動力學(xué)衛(wèi)星，也可以是遙感衛(wèi)星和科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，還可以是全球?qū)Ш叫l(wèi)星，比如美國的全球定位衛(wèi)星、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星、歐盟的伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星、我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星中的中高軌道衛(wèi)星等。它們的共同之處在于衛(wèi)星上都配備了角反射器。角反射器的重要特性就是可以把從地面衛(wèi)星觀測站激光器發(fā)出的激光，與入射光平行地反射回去。
　　下圖3為我國某高軌北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的角反射器陣列。
　　二是地面部分，包括激光器系統(tǒng)和天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。
　　激光器系統(tǒng)由激光發(fā)生系統(tǒng)、激光發(fā)射和激光接收系統(tǒng)幾部分組成。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和激光器系統(tǒng)緊密連接，激光發(fā)射和激光接收系統(tǒng)的鏡頭都安置在望遠(yuǎn)鏡上。天文望遠(yuǎn)鏡的作用主要是跟蹤和捕捉在軌衛(wèi)星，并搜集從衛(wèi)星反射回來的激光脈沖信號。
　　三是電源、控制和標(biāo)校等系統(tǒng)。它們包括：時間間隔計數(shù)器、時間系統(tǒng)，用來控制和記錄激光脈沖的發(fā)射和回波時刻。標(biāo)校系統(tǒng)，用來標(biāo)定測距系統(tǒng)誤差，特別是距離和時間偏差。電源和冷卻系統(tǒng)。
　　此外，還有計算機(jī)系統(tǒng)，主要用來下載衛(wèi)星星歷，預(yù)報可以觀測的衛(wèi)星，生成觀測衛(wèi)星列表；控制激光器和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；觀測數(shù)據(jù)的處理和傳輸?shù)取?br/>　　以上幾大系統(tǒng)，都需要觀測人員的操作和控制。觀測人員的操作水平和敬業(yè)與否決定了衛(wèi)星激光測距的觀測數(shù)量和精度水平。當(dāng)然，科技的發(fā)展，也會極大提高觀測的效率。第一代衛(wèi)星激光測距儀器，需要一個小組進(jìn)行操作，每個晴朗的夜晚，不過才觀測到幾顆激光測距衛(wèi)星。第三代衛(wèi)星激光測距儀器，可由一個人單獨(dú)操作。一位優(yōu)秀的觀測員，在天氣條件好、儀器性能良好的情況下，最多可以觀測到40多次激光測距衛(wèi)星。
　　配備了角反射器的衛(wèi)星，都可以用來進(jìn)行衛(wèi)星激光測距。按用途區(qū)分，激光測距衛(wèi)星可以區(qū)分為4類：專用地球動力學(xué)衛(wèi)星、地球遙感衛(wèi)星、全球?qū)Ш叫l(wèi)星和科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星。按軌道高度區(qū)分，激光測距衛(wèi)星可以分為3類：近地星、遠(yuǎn)地星、中間軌道衛(wèi)星。其中的地球動力學(xué)衛(wèi)星，也可以稱其為激光衛(wèi)星，其主要部件就是球形的衛(wèi)星。衛(wèi)星的表面是密集的角反射器。
　　
　　各國的激光測距衛(wèi)星
　　
　　1964年10月9日，美國宇航局發(fā)射了第一顆攜帶了角反射器的衛(wèi)星回聲-2號，它順利進(jìn)入1000千米高、傾角80°的軌道。1965年，人們收到其反射的回波信號，測距精度為幾米。1975年，法國宇航局發(fā)射了激光衛(wèi)星斯塔爾勒特，衛(wèi)星直徑為18厘米，重48千克，軌道高度約為800千米；后來發(fā)射了其復(fù)制品、姐妹星斯黛拉，它們的重量、直徑和軌道高度一樣，只是軌道傾角不同。1976年5月4日，美國宇航局發(fā)射了拉吉奧斯-1衛(wèi)星，1992年10月23日，美國宇航局與意大利航天局合作發(fā)射了拉吉奧斯-2衛(wèi)星；它們的軌道高度約為5900千米，大小和重量也相同，軌道傾角分別為109°和52°。其球形表面鑲嵌了422個由石英材料制作的角反射器，外型酷似高爾夫球。
　　日本于1986年8月12日發(fā)射了阿吉賽衛(wèi)星。前蘇聯(lián)分別于1989年1月和當(dāng)年5月發(fā)射了埃塔隆-1與埃塔隆-2衛(wèi)星，它們的直徑約為1.29米，軌道高度大約是19000千米。我國沒有發(fā)射專用的激光衛(wèi)星，但在“神舟四號”飛船軌道艙和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星中，各有一個中、高軌道衛(wèi)星安置了角反射器，可以進(jìn)行激光測距觀測。
　　美國的全球定位衛(wèi)星第35、36號和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星，歐盟的兩個伽利略導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星-A、B，日本的工程試驗(yàn)衛(wèi)星-8等衛(wèi)星，也安裝了角反射器，可以進(jìn)行衛(wèi)星激光測距。這些衛(wèi)星和我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星M1、G2一樣，都屬于中、高軌道衛(wèi)星，進(jìn)行衛(wèi)星激光測距有一定的難度。
　　
　　衛(wèi)星激光測距的優(yōu)勢與缺陷
　　
　　研究表明：測距精度為米級時，衛(wèi)星激光測距觀測數(shù)據(jù)可以用于地球重力場的研究；測距精度為分米級時，觀測數(shù)據(jù)可以用于研究地球固體潮和極移；測距精度為厘米級時，觀測數(shù)據(jù)可以用于研究地球板塊構(gòu)造和斷層的活動；測距精度為亞厘米級時，觀測數(shù)據(jù)可以用于研究地球板塊間的形變。目前廣泛采用的第三代衛(wèi)星激光測距技術(shù)，測距精度已達(dá)厘米級，正向亞厘米或者毫米級的精度發(fā)展。
　　由于衛(wèi)星激光測距觀測得到的主要數(shù)據(jù)為測站到衛(wèi)星的距離，測量精度非常高。無論是軌道高度在數(shù)百至上千千米的近地衛(wèi)星，還是軌道高度為36000千米的衛(wèi)星，測距精度都可以達(dá)到厘米級。在空間大地測量學(xué)中，衛(wèi)星激光測距是距離測量精度最高的技術(shù)。不過，這些數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過一系列修正才可以應(yīng)用于科研當(dāng)中。
　　衛(wèi)星激光測距也不是完美無缺的。它的最大缺陷是：受天氣制約，陰天、雨、雪、霧、霾或者風(fēng)力達(dá)到一定級別就無法觀測。另外，白天比夜間更難觀測。
　　
　　我國的衛(wèi)星激光測距臺站
　　
　　目前，全球大約有50個衛(wèi)星激光測距臺站堅持了長年觀測，這些臺站大多集中在北半球，主要分布于美國、歐洲和西太平洋地區(qū)。
　　1989年，我國成立了衛(wèi)星激光測距網(wǎng)，牽頭單位是上海天文臺。5個固定的衛(wèi)星激光測距臺站位于北京、上海、昆明、武漢和長春。西安測繪研究所和位于武漢的地震研究所各擁有一臺流動型衛(wèi)星激光測距儀。
　　與此同時，我國的衛(wèi)星激光測距網(wǎng)還加入了國際大地測量協(xié)會的分支機(jī)構(gòu)——國際激光測距服務(wù)組織。
　　目前，我國在軌運(yùn)行的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星采用了衛(wèi)星激光測距技術(shù)，全球已經(jīng)有25個激光測距衛(wèi)星觀測站提供了數(shù)據(jù)支撐。2002年至2003年在軌的“神舟四號”飛船上也采用了衛(wèi)星激光測距技術(shù)。它們的后向反射器都是由上海天文臺的科學(xué)家研制的。上海天文臺和長春衛(wèi)星觀測站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千赫茲和白天激光測距，云南天文臺和北京房山衛(wèi)星觀測站也有望在年內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)。
　　
　　【責(zé)任編輯】趙 菲