卫星激光测距（Satellite Laser Ranging, SLR）以脉冲激光为媒介获取卫星的精确距离，是空间大地测量技术中准确度最高的手段。在传统卫星激光测距系统中，通过测量已知距离的固定靶目标实现系统总时延的标定，对获取单向发射或接收时延的研究较少，这制约了卫星激光测距在激光时间比对、多台站协同测距及行星际激光测距等方面的应用。文中开展皮秒准确度时延标定方法的研究，首先，分析了卫星激光测距系统的时延组成及影响因素；其次，以中国科学院上海天文台卫星激光测距系统为平台，开展电学、光学和光电转换等时延的高精度测量，并将各部分时延组合完成收发时延的标定；最后，分析发射和接收时延标定的准确度，并将时延标定方法应用于地靶距离偏差的校验，验证时延标定方法的可行性。结果表明，发射和接收时延标定的准确度分别优于11 ps和13 ps，地靶距离偏差与国际激光测距组织（ILRS）反馈值相差仅11 ps。

对卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)回波数与重复频率、脉冲能量及功率关系进行分析，表明单位时间内相同激光回波数，重复频率越高所需激光脉冲能量和平均功率越低；同时对SLR单次测量精度及标准点数据精度进行分析，表明标准点时长内测距点数越多，SLR标准点精度越高。提出点火脉冲群与门控脉冲群收发交替的工作模式，解决超高重复频率后向散射光噪声对激光回波干扰问题。开发多缓冲区存储模式，使测量软件数据实时处理与储存效率提升4~6倍。基于中国科学院上海天文台60 cm口径SLR系统，以快速事件计时器、脉冲群生成器、低噪声单光子探测器等，采用脉冲间隔5 μs、单脉冲能量80 μJ的皮秒激光，收发交替脉冲群模式下实现100 kHz重复频率低轨至高轨卫星的SLR测量，近地星Hy2b标准点精度达到28.55 μm，远地星Galileo218标准点精度达到136.51 μm，为发展更高重频和高精度空间目标激光测距提供了有效方法。

1 064 nm波长大气透过率高、天空背景辐射小，采用该波长激光开展卫星测距，有助于提升测距系统的探测能力，已成为国际测距技术的重要发展趋势之一。采用2.2 nm窄带滤光片，计算并测试了白天情况下1 064 nm波长测距系统的噪声，验证了该滤光片在白天对背景噪声的抑制效果。基于圆心光路调节方法，夜间借助红外相机实现了1 064 nm波长激光发射光路与机械轴的重合度调节，保证了全天区优于5″的激光指向精度，解决了白天观测条件下1 064 nm波长激光精确指向问题。采用重复频率为1 kHz、功率为5 W的1 064 nm激光器，建立了1 064 nm波长白天卫星激光测距试验系统，最远获得了地球同步轨道卫星的有效回波数据，实现了1 064 nm波长白天激光测距。试验研究将为我国1 064 nm在远距离卫星激光测距、空间碎片漫反射激光测距方面的应用与发展奠定了技术基础。

随着航天航空技术的快速发展，环绕地球轨道空间碎片数量迅速增加，占用了有限的轨道资源，同时威胁在轨运行航天器的安全，其陨落也对人们构成严重恐慌.激光测距具有波长短、发散角小、方向性好、单色性好、抗干扰强等特点，能显著提升空间碎片轨道与姿态测定精度.本文对空间碎片激光测距做出较全面的理论分析，从激光工作模式、回波探测与接收等方面介绍目前研究现状及技术与应用情况，对正在发展的千赫兹重复率脉冲串模式、百千赫兹脉冲群收发交替模式空间碎片激光测距技术特点，以及空间碎片白天激光测量技术进行阐述.提出将超高重复频率激光测距技术应用在空间碎片激光测距上，为进一步提高空间碎片激光测距能力提供一种新方法.

在上海天文台1 kHz卫星激光测距系统上，通过885 nm端面泵浦Nd：YAG实现对激光器改进和升级；对泵浦电流、Nd：YAG冷却水温及再生放大建立周期加以控制，在10 kHz下获得6 W功率532 nm近等幅值皮秒激光脉冲输出，发散角0.6 mrad，脉宽30 ps，光束质量M²=1.2。测量与分析各重复率1 kHz、2 kHz、4 kHz、5 kHz、6.25 kHz、10 kHz下单光子探测器噪声水平、虚警概率与距离门控的关系，噪声光子数N与重复率f关系为N=743784.76+431.08f；重复率10 kHz下虚警探测概率P与距离门控Δt关系为P(△t)=1-e-5054584.76×△t，获得的含噪声、测量频率与激光能量的激光回波数表达式对测距系统设计有一定指导作用。通过距离门控控制实现了10 kHz全天时卫星激光测距，并实现同步轨道3.6 x 10⁴ km的北斗卫星Compassi6b白天测量。