改善激光观测数据偏差对推动毫米级精度卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)技术在全球大地测量观测系统中应用具有重要作用。系统时延标定误差是激光观测数据偏差产生的主要原因, 其中地面靶目标测量与卫星测量时的系统差异, 以及单光子探测中激光回波强度所引起的光子探测时间游动误差是主要因素。以上海天文台SLR系统为平台, 对上述两种测量模式下系统时延及激光回波强度差异进行了分析和修正。利用激光偏振特性, 应用半波片-偏振片组合调能技术, 实现两种测量模式下光路的“零差异”切换以及回波强度的实时控制, 有效减少光路不同和探测器时间游动效应, 激光数据偏差改善了10~20 mm, 达到了国际SLR数据质量标准要求。激光偏振技术也可用于高重复率激光测距的激光后向散射规避, 提高激光回波数, 具有很好的应用推广价值。

卫星激光反射器阵列结构决定有效反射面积分布，进而影响激光回波强度。在某些小型卫星应用中，地面台站只需对卫星局部天区过境观测，但激光反射器需数十平方厘米的有效反射面积，且对质量和尺寸有限制，需合理设计激光反射器阵列排布指向以满足大的有效反射面积应用需求。推导了不同指向角反射器有效反射面积计算模型，并以某一局部天区观测的低轨卫星激光反射器为例，给出了有效反射面积的仿真结果，并进行了实验室测试。结果表明，局部天区观测卫星激光反射器的有效反射面积设计与测试结果相符，为区域观测卫星激光反射器应用奠定了基础。

大口径望远镜有助于提升空间碎片目标测量能力。根据激光测距雷达方程应用多台相对较小口径望远镜同时接收激光回波信号，可等效实现单台大口径望远镜激光信号接收能力，弥补大口径望远镜在目标快速跟踪、系统运行维护等方面不足，并可兼顾测距系统测量能力和效率。基于中国科学院上海天文台相距约55 m的1.56 m和60 cm口径望远镜系统，研究了双接收望远镜测距技术，在国内首次开展双望远镜空间碎片激光观测试验，验证了多望远镜同时接收碎片目标激光信号测量技术。测量数据结果表明：1.56 m口径望远镜激光回波接收能力是60 cm口径望远镜的约3~4倍，双望远镜可等效于一台约1.65 m口径望远镜的激光接收能力，在远距离、小尺寸空间碎片目标高精度激光观测中将发挥重要作用。

激光雷达合作目标是激光交会对接雷达测量系统重要组成部分。针对激光交会对接雷达系统测量需求，首次采用远近场双合作目标设计方式，实现对激光信号原路返回，用于目标飞行器在远场时快速搜索捕获，近场时精确测量。对于远场合作目标采用了多维阵列构型，通过仿真分析，在有效视场90°×105°范围内最小有效反射面积不低于100 cm²，保证了对激光信号反射能力和目标捕获能力。所设计的激光雷达合作目标满足了激光交会对接雷达系统应用要求。

卫星激光测距（SLR）是目前卫星单点测量精度最高的测距技术，通常采用532 nm波长激光器，由1064 nm基频光倍频得到。而1064 nm波长激光在大气传输特性、远场光束特性、远场光的单位能量光子数和激光器功率等方面都较532 nm有优势，更有利于增强系统的探测能力，尤其在开展微弱信号目标的探测方面。进行了1064 nm波长卫星激光测距技术研究，分析了构建1064 nm波长卫星激光测距系统主要技术和难点，提出了相应的解决方案，在国内首先开展1064 nm波长高精度卫星激光测距实验，获得了初步的测量结果，为该测量技术发展和应用打下了很好基础。

空间目标观测中，目标亮度直接影响着其跟踪能力及定位精度。激光技术作为主动测量技术，通过地面激光跟踪与测量系统向低照度空间目标主动发射激光，望远镜及CCD相机在接收目标反射的太阳光的同时亦接收激光信号，可提高目标星象在CCD上的亮度，有利于目标跟踪和测量。采用532 nm波长低功率激光作为地面光源，对带激光反射器卫星开展了激光主动增亮实验，验证技术方法可行性。根据太阳光谱辐照度理论、地面测量系统参数、激光测距雷达方程等，分析了激光主动增亮卫星前后视星等。利用星象灰度对比法，获得了实验中所测量卫星增亮前后视星等，并与理论计算结果进行了比较，验证了理论与实验方法的合理性，为进一步开展激光主动增亮技术的研究与应用奠定了基础。

空间碎片已成为影响在轨航天器安全的重要因素。激光测距对开展空间碎片轨道精确测定、精密编目及监测预警等具有重要作用。根据激光测距雷达方程，分析了不同重复率和功率激光器的激光回波信号探测情况。将200 Hz重复率、50 W功率全固态激光器应用于空间碎片测量，配合低噪声探测器、纳秒控制精度距离门产生器及高效率光谱滤波器等，实现了空间碎片高成功率观测，所测量的目标中最小截面积达0.5 m2、最远距离超过2100 km，表现出良好性能和测量效果。验证了高重复率、低脉冲能量激光器对空间碎片测量可行性，为后续高重复率空间碎片激光测距技术的发展与应用提供了指导。

对于低轨道空间目标，易受到地影影响，使地面光学测量系统无法实现对地影目标光学观测，影响目标光学观测弧段和数据量。激光照亮技术为主动探测，利用地面激光跟踪与测量系统，向地影中目标发射激光束，望远镜及电荷耦合器件(CCD)相机接收目标返回的激光信号，达到CCD探测阈值，获取目标图像信息。采用了532 nm波长激光作为地面光源，开展对地影中带激光反射器卫星激光主动照亮，验证技术方法可行性。根据地面系统参数，理论分析了CCD的激光回波信号信噪比、卫星激光照亮星等。利用图像灰度对比法，获得了实验中所照亮卫星的视星等，并与理论计算结果进行了比较，验证了理论与实验方法的合理性。