第1章 绪论
SLR是satellite laser ranging的缩写，其中文名是“人卫激光测距”或“卫星激光测距”，SLR是通过激光测距仪测量地面观测站到卫星激光反射器的往返时间来获得其精确的距离，从而可用来测量或者说确定卫星的轨道参数、地球定向参数(EOP)、低阶重力场、地心运动、观测站的站坐标和运动速度等的一种绝对测量技术。激光测月(LLR)是通过高功率激光器发射激光束测量地面观测站到月球的往返时间来获得其精确的距离，从而测量月球的轨道、天平动和验证广义相对论等，类似于SLR技术，只不过测量的是测站到月球之间的距离，距离更远，要求的激光器功率更大。ILRS是SLR和LLR的国际的激光测距服务组织，下设ILRS委员会和ILRS中央局，ILRS委员会负责与全球大地测量观测系统(global geodetic observing system，GGOS)、国际大地测量协会(The International Association of Geodesy，IAG)和国际地球自转与参考系服务(International Earth Rotation and Reference Systems Service，IERS)等机构之间的协调工作，ILRS中央局负责ILRS日常工作，由ILRS分析/辅助分析中心、ILRS数据中心(2个)、ILRS运行中心(4个)、ILRS测站(40多个)网络四部分组成，如图1.1所示。为了这些机构能够更好地运作，成立了与其任务相关的标准委员会，包括使命标准委员会、分析标准委员会、网与工程标准委员会、数据格式与处理标准委员会和应答器标准委员会，负责收集、合并、归档和发布SLR和LLR观测资料来满足科学、工程及应用实践的有关目标。目前ILRS正常服务的有4个辅助分析中心(中国1个)、7个分析中心、2个混合分析中心和4个激光测月分析中心，分别承担着不同的任务。ILRS辅助分析中心被指定在既定时间间隔里产生具体的产品，如卫星预报轨道、测站时间偏差和距离偏差信息、精密轨道、测站坐标和速度；ILRS分析中心除了提供辅助分析中心的各种产品外，还被指定至少处理和提供Lageos-1和Lageos-2数据，提供每月或每周或每日(目前是每周或每日)SINEX格式的EOP和测站坐标信息及其他产品，并及时提供给ILRS混合分析中心进行产品混合；ILRS混合分析中心对ILRS不同分析中心提供的SINEX文件进行混合，并将产生的SLR综合EOP和测站坐标信息给IERS做多种空间大地测量技术综合，来确定地球参考架和EOP，同时也可选择提供基本物理常数、站坐标、重力场系数、卫星轨道参数的确定等产品；激光测月分析中心根据从LLR站来的数据生成标准点数据和各种各样的科学产品，如精密月球历表、天平动、月球内部组成和构造、广义相对论验证、与国际天球参考架的联系，以及月球与地球和太阳的关系研究等(Pearlman et al.，2005)。
图1.1 ILRS组织架构(来源：https://ilrs.gsfc.nasa.gov/about/organization/index.html)
SLR测量精度目前正由1～2cm迈向毫米级(有些站已达毫米级)，其超高重复频率，以及白天卫星激光测距的实现、超导纳米单光子探测器(superconducting nanowire single photon detector，SSPD)的使用、激光计时器的更新换代和双色激光测距的应用等，使得其测量精度还在持续提高。SLR全球高精度绝对无偏距离测量优势，使得它在中低轨卫星轨道确定和微波轨道精度评估、地球参考架和EOP确定与维持及测地应用等中有着不可替代的*特作用(Pearlman et al.，2005)。SLR数据处理通常采用一种动力测地方法，对卫星轨道参数、测站坐标、模型参数和地球定向参数等同时解算，其中解算策略需要随测量情况的变化而进行调整。本书对SLR概述，SLR发展历史，SLR测量所涉及的时间、坐标与常数系统，SLR卫星运动方程，SLR动力学模型，SLR测量模型，SLR测量原理与观测方程的建立，SLR各种应用，以及SLR数据处理软件等给予了系统介绍，希望读者能够全面掌握SLR测量技术及其应用。
1.1 SLR概述
SLR测站外观、观测示意图以及激光反射器如图1.2所示，由SLR测站的激光测距仪发射激光到事先预定的卫星激光反射器，然后该激光束被激光反射器阵反射回来，测站的应答器和计时器可以记录该激光束发射和返回的时间差，从而可以获得测站发射点到卫星激光反射器能量中心的双程距，该距离就是观测量。其中SLR测站外观如图1.2(a)所示，有一个圆顶；图1.2(b)为测距仪发射激光束到既定目标进行观测；图1.2(c)为激光反射器图片。目前全球有40多个SLR测站，主要分布在北半球，而且集中在欧洲和东亚，会在SLR应用中造成一定的精度损失。表1.1给出了ILRS全球在用的SLR测站以及与全球导航卫星系统(GNSS)/VLBI/多里斯系统(DORIS)并置情况，共有40多个测站，数据更新于2023年5月24日，将还会随着新站的加入和一些测站的老化不能使用而有所变动，其更新网址见https://ilrs.gsfc.nasa.gov/network/stations/active/index.html，从表中可以看到具体测站信息和SLR与其他技术并置情况，由于SLR测站建设和仪器较贵，其并置并未像GNSS那么普遍。
图1.2 (a)SLR测站外观；(b)观测示意图；(c)激光反射器
表1.2显示了ILRS目前支持的在轨观测卫星情况，大约有100多颗卫星和目标，包括中、低和高轨卫星及月球探测目标，表中数据来自https://ilrs.gsfc.nasa.gov/missions/satellite_missions/index.html，会随着监测跟踪卫星的状况而变化，这里表格数据更新日期为2023年5月30日，由于如此多的目标和测站有限的观测能力，因此需要制定观测策略来满足用户的需求。图1.3给出了ILRS各测站1年观测圈数情况(2016年9月1日～ 2017年8月31日)，从图中可以看出，各站观测情况差异很大，仅有不到一半测站达到了ILRS要求的每年观测3500圈的基本要求。表1.3给出了ILRS辅助分析中心给出的各测站观测水平和测量精度，从表中可以看出，SLR测量精度一般在亚厘米级，有些测站已经达毫米级。
LLR测量如图1.4所示，也是由激光测距仪通过高功率激光器发射激光束测量地面观测站到月球的往返时间来获得其精确的距离，从而测量月球的轨道、天平动，以及验证广义相对论等。目前主要有5个测月站：格拉斯(Grasse，法国)、马泰拉(Matera，意大利)、麦克唐纳(McDonald)天文台(美国)、阿帕奇岬(Apache Point，美国新墨西哥州)和中国昆明站(中国科学院云南天文台)。
表1.1 ILRS全球SLR测站以及与GNSS/VLBI/DORIS并置情况
表1.2 ILRS目前支持的在轨观测卫星情况
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