高精度的衛(wèi)星激光測(cè)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(tái)的圓頂，中間用西班牙文標(biāo)注了天文臺(tái)的名字——費(fèi)利克斯?阿吉拉爾天文臺(tái)，左邊是由中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院和中科院國(guó)家天文臺(tái)聯(lián)合研制的衛(wèi)星激光測(cè)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(huì)出現(xiàn)我國(guó)研制的儀器呢？
　　原來(lái)，從1999年開(kāi)始，阿根廷就開(kāi)始與我國(guó)進(jìn)行科技合作，國(guó)家天文臺(tái)與阿根廷圣胡安大學(xué)籌備建立了一個(gè)新的衛(wèi)星觀測(cè)站，開(kāi)展合作觀測(cè)與研究。由于圣胡安氣候干燥、晴天多，年均有多達(dá)約300個(gè)可觀測(cè)日，非常適合進(jìn)行包括衛(wèi)星觀測(cè)在內(nèi)的天文觀測(cè)。隨后，中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院與國(guó)家天文臺(tái)聯(lián)合研制了這臺(tái)第三代高精度衛(wèi)星激光測(cè)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(tái)，2006年初完成調(diào)試，并投入運(yùn)行，測(cè)程和精度等主要指標(biāo)立即達(dá)到了國(guó)際激光測(cè)距服務(wù)組織的規(guī)范，獲得正式臺(tái)站編號(hào)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(guó)衛(wèi)星激光測(cè)距（SLR）觀測(cè)歷史上的最好成績(jī)；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(cè)量和對(duì)觀測(cè)難度較大的高軌衛(wèi)星的觀測(cè)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(cè)距
　　
　　衛(wèi)星激光測(cè)距（satellite laser ranging，簡(jiǎn)稱(chēng)為SLR），是利用安置在地面上的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)所發(fā)射的激光脈沖，跟蹤觀測(cè)裝有激光反射棱鏡的人造地球衛(wèi)星，以測(cè)定測(cè)站與衛(wèi)星之間的距離的技術(shù)和方法。
　　衛(wèi)星激光測(cè)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(jí)。它可以精確測(cè)定地面測(cè)站的地心坐標(biāo)、長(zhǎng)達(dá)幾千千米的基線長(zhǎng)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(chǎng)球諧系數(shù)、潮汐參數(shù)以及板塊運(yùn)動(dòng)和地殼升降速率等。
　　衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)的出現(xiàn)，為空間大地測(cè)量學(xué)家族增加了新的成員。這個(gè)家族還包括衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量、月球激光測(cè)距、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量、衛(wèi)星多普勒定軌定位系統(tǒng)和精密測(cè)距測(cè)速系統(tǒng)等7種技術(shù)。衛(wèi)星激光測(cè)距的觀測(cè)距離，可以抵達(dá)距離地球約38萬(wàn)千米外的月球，精度為厘米級(jí)。
　　衛(wèi)星激光測(cè)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(cè)距技術(shù)的誕生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
　　衛(wèi)星激光測(cè)距的原理，就是利用安置在地面衛(wèi)星觀測(cè)站的激光器發(fā)射的激光脈沖，測(cè)定從地面衛(wèi)星觀測(cè)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(cè)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(cè)站。因此，激光的傳播時(shí)間和光速的乘積，為衛(wèi)星觀測(cè)站到衛(wèi)星之間距離的兩倍。
　　
　　衛(wèi)星激光測(cè)距的系統(tǒng)構(gòu)成
　　
　　實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星激光測(cè)距，需要衛(wèi)星激光測(cè)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(cè)距衛(wèi)星。
　　這些衛(wèi)星可以是專(zhuān)用的地球動(dòng)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(guó)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(guó)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(cè)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(guó)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(lái)的激光脈沖信號(hào)。
　　三是電源、控制和標(biāo)校等系統(tǒng)。它們包括：時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器、時(shí)間系統(tǒng)，用來(lái)控制和記錄激光脈沖的發(fā)射和回波時(shí)刻。標(biāo)校系統(tǒng)，用來(lái)標(biāo)定測(cè)距系統(tǒng)誤差，特別是距離和時(shí)間偏差。電源和冷卻系統(tǒng)。
　　此外，還有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要用來(lái)下載衛(wèi)星星歷，預(yù)報(bào)可以觀測(cè)的衛(wèi)星，生成觀測(cè)衛(wèi)星列表；控制激光器和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；觀測(cè)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(cè)人員的操作和控制。觀測(cè)人員的操作水平和敬業(yè)與否決定了衛(wèi)星激光測(cè)距的觀測(cè)數(shù)量和精度水平。當(dāng)然，科技的發(fā)展，也會(huì)極大提高觀測(cè)的效率。第一代衛(wèi)星激光測(cè)距儀器，需要一個(gè)小組進(jìn)行操作，每個(gè)晴朗的夜晚，不過(guò)才觀測(cè)到幾顆激光測(cè)距衛(wèi)星。第三代衛(wèi)星激光測(cè)距儀器，可由一個(gè)人單獨(dú)操作。一位優(yōu)秀的觀測(cè)員，在天氣條件好、儀器性能良好的情況下，最多可以觀測(cè)到40多次激光測(cè)距衛(wèi)星。
　　配備了角反射器的衛(wèi)星，都可以用來(lái)進(jìn)行衛(wèi)星激光測(cè)距。按用途區(qū)分，激光測(cè)距衛(wèi)星可以區(qū)分為4類(lèi)：專(zhuān)用地球動(dòng)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(cè)距衛(wèi)星可以分為3類(lèi)：近地星、遠(yuǎn)地星、中間軌道衛(wèi)星。其中的地球動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星，也可以稱(chēng)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(guó)的激光測(cè)距衛(wèi)星
　　
　　1964年10月9日，美國(guó)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(hào)，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(hào)，測(cè)距精度為幾米。1975年，法國(guó)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(lái)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(guó)宇航局發(fā)射了拉吉奧斯-1衛(wèi)星，1992年10月23日，美國(guó)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(gè)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(guó)沒(méi)有發(fā)射專(zhuān)用的激光衛(wèi)星，但在“神舟四號(hào)”飛船軌道艙和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星中，各有一個(gè)中、高軌道衛(wèi)星安置了角反射器，可以進(jìn)行激光測(cè)距觀測(cè)。
　　美國(guó)的全球定位衛(wèi)星第35、36號(hào)和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星，歐盟的兩個(gè)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(cè)距。這些衛(wèi)星和我國(guó)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(cè)距有一定的難度。
　　
　　衛(wèi)星激光測(cè)距的優(yōu)勢(shì)與缺陷
　　
　　研究表明：測(cè)距精度為米級(jí)時(shí)，衛(wèi)星激光測(cè)距觀測(cè)數(shù)據(jù)可以用于地球重力場(chǎng)的研究；測(cè)距精度為分米級(jí)時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)可以用于研究地球固體潮和極移；測(cè)距精度為厘米級(jí)時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)可以用于研究地球板塊構(gòu)造和斷層的活動(dòng)；測(cè)距精度為亞厘米級(jí)時(shí)，觀測(cè)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(cè)距技術(shù)，測(cè)距精度已達(dá)厘米級(jí)，正向亞厘米或者毫米級(jí)的精度發(fā)展。
　　由于衛(wèi)星激光測(cè)距觀測(cè)得到的主要數(shù)據(jù)為測(cè)站到衛(wèi)星的距離，測(cè)量精度非常高。無(wú)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(cè)距精度都可以達(dá)到厘米級(jí)。在空間大地測(cè)量學(xué)中，衛(wèi)星激光測(cè)距是距離測(cè)量精度最高的技術(shù)。不過(guò)，這些數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過(guò)一系列修正才可以應(yīng)用于科研當(dāng)中。
　　衛(wèi)星激光測(cè)距也不是完美無(wú)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(jí)別就無(wú)法觀測(cè)。另外，白天比夜間更難觀測(cè)。
　　
　　我國(guó)的衛(wèi)星激光測(cè)距臺(tái)站
　　
　　目前，全球大約有50個(gè)衛(wèi)星激光測(cè)距臺(tái)站堅(jiān)持了長(zhǎng)年觀測(cè)，這些臺(tái)站大多集中在北半球，主要分布于美國(guó)、歐洲和西太平洋地區(qū)。
　　1989年，我國(guó)成立了衛(wèi)星激光測(cè)距網(wǎng)，牽頭單位是上海天文臺(tái)。5個(gè)固定的衛(wèi)星激光測(cè)距臺(tái)站位于北京、上海、昆明、武漢和長(zhǎng)春。西安測(cè)繪研究所和位于武漢的地震研究所各擁有一臺(tái)流動(dòng)型衛(wèi)星激光測(cè)距儀。
　　與此同時(shí)，我國(guó)的衛(wèi)星激光測(cè)距網(wǎng)還加入了國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)的分支機(jī)構(gòu)——國(guó)際激光測(cè)距服務(wù)組織。
　　目前，我國(guó)在軌運(yùn)行的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星采用了衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)，全球已經(jīng)有25個(gè)激光測(cè)距衛(wèi)星觀測(cè)站提供了數(shù)據(jù)支撐。2002年至2003年在軌的“神舟四號(hào)”飛船上也采用了衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)。它們的后向反射器都是由上海天文臺(tái)的科學(xué)家研制的。上海天文臺(tái)和長(zhǎng)春衛(wèi)星觀測(cè)站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千赫茲和白天激光測(cè)距，云南天文臺(tái)和北京房山衛(wèi)星觀測(cè)站也有望在年內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。
　　
　　【責(zé)任編輯】趙 菲