卫星形状效应是阻碍卫星激光测距(SLR)系统测距精度向毫米级发展的重要因素之一。基于卫星角反射器的实际分布,提出了角反射器不均匀分布(RUD)模型,计算了激光入射角与参与SLR过程的卫星角反射器个数、分布、反射强度的关系,分析讨论了卫星形状效应对SLR回波数据残差分布、卫星质心改正(CoM)值产生的影响。结果表明,与现有CoM模型不同,利用RUD模型计算得到的参与SLR反射的角反射器个数随激光入射角变化,角反射器分布分散且不对称,同纬度各角反射器反射激光强度不同,SLR回波波形中“拖尾效应”明显,与实测结果相符。同时,利用RUD模型得到的CoM值随激光入射角呈动态变化。对于Lageos-1卫星,长春站CoM平均值为248.1 mm,在国际激光测距服务组织的参考范围之内。

随着卫星激光测距技术的发展, 高轨卫星激光测距的数据量明显提高。由于高轨卫星距离远回波弱, 这就要求望远镜系统能精确地对准卫星目标才能接收到有效回波。首先分析了影响望远镜对准的光行差因素, 即卫星运行的速度光行差和发射激光运行引入的光行差。文中以Glonass系列高轨卫星为例, 重点研究了发射激光束运行引入的光行差偏移量, 并且计算出测站测量Glonass系列卫星的光行差角偏移量为26 ?滋rad。在实际高轨卫星激光测距中对Glonass系列卫星进行了数十次的测距实验验证, 证明了文中对光行差影响的分析是正确的。通过文中的研究可以提高高轨卫星激光测距的捕获机率, 大大提高高轨卫星观测效率。

从盖革模式单光子雪崩光电二极管的光电特性出发, 分析了卫星激光测距的测距精度与激光脉冲宽度及回波强度的关系, 并利用长春站卫星激光测距系统对地球动力学卫星进行观测.结果表明, 当回波光子数为1 000左右时, 系统测距精度为10.2 mm左右, 当回波光子数为8 000时, 测距精度减小为9.4 mm左右, 表明回波强度较大时, 可提高卫星激光测距系统的测距精度; 当激光器脉宽为200 ps时, 系统测距精度为17.3 mm, 当脉宽为50 ps时, 系统的测距精度为10.0 mm, 表明卫星激光测距系统的测距精度随着脉宽变窄得到了有效提高.为进一步验证理论结果, 对Ajisai卫星进行实测, 分析了高重复频率激光测距系统对系统测距精度的影响, 结果表明采用窄脉宽高重复频率的激光测距系统, 激光测距有效回波数和标准点密度呈数量级增加, 测距精度也有一定的提高.因此, 为了改善卫星激光测距系统回波特性, 应选用脉宽窄、重复频率高、能量大的激光器作为基于盖革模式单光子雪崩光电二极管的卫星激光测距系统的激光光源.

基于激光在大气中的传输特性，利用斜程传输理论计算激光在大气中的衰减程度，结合激光雷达测距方程，建立了卫星激光测距(SLR)系统的斜程传输最大测距模型，通过分析数值仿真结果及长春站SLR系统最大探测距离(MDR)实测值，对SLR系统的最大探测距离进行了系统的研究。结果表明：在一定范围内，SLR系统的MDR值随着望远镜发射仰角的增大而增大。与其他常见的模型(Kim经验公式和Mie理论)相比，利用斜程传输最大测距模型得到的MDR值更接近实验值，其误差率减小了一个数量级，仅为3.8%。该模型可有效计算SLR系统的MDR。

基于大气气溶胶在空间的不均匀分布, 提出并利用激光在大气气溶胶中的斜程传输模型开展卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究, 即将气溶胶的分布分为水平及垂直方向, 在垂直方向将其分为无穷多层, 令每层气溶胶的水平方向浓度分布均匀, 结合气溶胶粒子的散射截面、尺度分布函数, 计算激光在每层气溶胶中的透过率, 最后进行积分得到激光的大气传输透过率.结果表明, 与Kim经验公式及Mie理论模型相比, 由斜程传输模型计算得到的激光气溶胶透过率更接近实验值, 其平均相对误差降低了一个数量级, 仅为3.5%, 表明该模型可准确地计算激光在气溶胶中的传输特性.结合激光雷达公式, 利用该模型对气溶胶中不同轨道高度卫星探测成功率进行数值模拟仿真, 发现在轻霾环境中低轨卫星的探测成功率可达40%以上, 高轨卫星的探测成功率仅为15%, 可利用高效率探测器与高能量激光器实现轻霾环境下的卫星激光测距.研究结果能合理解释已有的实验报道并有效地预估卫星激光测距系统探测性能, 为系统的升级改造提供可靠的理论依据和技术保障.