張晶晶

自古以來，人們對夜空中的月亮就充滿了好奇、向往與贊美，關(guān)于月亮的各種神話傳說、詩詞歌賦數(shù)不勝數(shù)。當(dāng)人們“舉頭望明月”時，可能會思考這樣一個問題：月亮到底距離地上的我們有多遠呢？

1月22日晚，中國科學(xué)院云南天文臺應(yīng)用天文研究團組的研究人員成功地接收到了月球激光測距的回波信號，這是中國人首次成功利用激光精確地測量地球距月球的距離。

云南天文臺不但建立了激光測月系統(tǒng)，并針對激光測月的需求，開發(fā)并采用了新的望遠鏡指向模型，高精度激光收發(fā)轉(zhuǎn)鏡技術(shù)以及微弱信號識別算法。

利用1.2米望遠鏡激光測距系統(tǒng)，多次成功探測到月面反射器Apollo15返回的激光脈沖信號。

前不久，中國科學(xué)院云南天文臺應(yīng)用天文研究團組在國內(nèi)首次成功實現(xiàn)月球激光測距，距離精度優(yōu)于1米，為385823.433千米～387119.600千米。那么，地球離月亮到底有多遠？激光測月又是怎么回事？

歷史上第一次測量月地距離的是希臘天文學(xué)家西帕恰斯，他利用月食測量了月地距離，根據(jù)掠過月面的地影曲線彎曲情況，能顯示出地球與月亮的相對大小，再運用簡單的幾何學(xué)原理，便可以推算出月亮到地球的距離。

西帕恰斯得出，月亮到地球的距離幾乎是地球直徑的30倍。假若他采納了埃及拉特賽尼的地球直徑數(shù)字，那么測量出月亮到地球的距離是381000千米，已經(jīng)和當(dāng)今測得的數(shù)字非常接近。

所謂激光測月，是月球激光測距的簡稱，科學(xué)家通過精確測定激光脈沖從地面觀測站到月面反射器的往返時間，從而計算地月距離。地月間激光測距是一項綜合技術(shù)，它涵蓋激光、光電探測、自動控制、空間軌道等多個學(xué)科領(lǐng)域，是目前地月距離測量精度最高的技術(shù)手段。

云南天文臺副研究員、此次地月測距負責(zé)人之一的李語強介紹說，月球激光測距作為最精確的地月測量手段至今已有近50年。“月球激光測距的觀測資料對天文地球動力學(xué)、地月科學(xué)、月球物理學(xué)和引力理論等諸多科學(xué)研究有重要價值。比如測定月球的形狀、大小以及表面特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引力理論和廣義相對論效應(yīng)的檢驗，等效原理的驗證，萬有引力常數(shù)的變化以及日月系統(tǒng)潮汐等。”

月球激光測距系統(tǒng)（LLR，Lunar Laser Ranging）主要由月面激光反射器和地面激光觀測設(shè)備所組成。1964年10月，美國NASA發(fā)射了第一顆帶有后向反射器的衛(wèi)星Beacon-B，并很快實現(xiàn)了對其衛(wèi)星激光測距SLR（Satellite Laser Ranging）。

1969年7月21日，阿波羅11號登月成功，宇航員N. Armstrong將激光后向反射器放置在月面預(yù)定位置上。月球激光反射器Apollo11大小為46平方厘米，裝有100個直徑為3.8厘米的熔石英材料的激光反射器。

“這種激光反射器實際上是一個光學(xué)的四面體棱鏡，具有對激光的入射方向與反射方向保持平行的特性，能保證在激光測距中光信號沿原發(fā)射方向返回?！崩钫Z強解釋說。

此后，美國人又在月面不同位置放置了Apollo14、Apollo15反射器陣列。蘇聯(lián)先后發(fā)射了月球登陸車Luna17和Luna21，在月面安置了Lunakhod17和Lunakhod21反射器陣列。至今，月面上共有這5個可供進行激光測月的角反射器陣列。

有了角反射器陣列，激光測月才有可能。1969年8月1日，美國Lick天文臺用3米口徑的望遠鏡成功地觀測到來自Apollo11反射器的激光測距回波信號；同年8月22日，美國McDonald站2.7米望遠鏡收到回波信號。此后，McDonald站一直發(fā)展完善，成為了全球最重要的激光測月站之一，之后陸續(xù)有法國、意大利、德國、澳大利亞、俄羅斯、日本、南非等多家測站進行過激光測月相關(guān)研究。

“但能夠進行常規(guī)激光測月的只有法國Grasse測站、意大利Matera測站以及美國Apollo測站和McDonald測站。”李語強介紹說。

中國的衛(wèi)星激光測距工作始于1972年，經(jīng)歷了從第一代到第三代的發(fā)展過程。目前，我國的人衛(wèi)激光測距網(wǎng)由能正常觀測的上海、武漢、北京、長春、昆明等觀測站組成，都屬于最新一代人衛(wèi)激光測距系統(tǒng)。另有其他流動站正在運行，這些系統(tǒng)都是由中國科技工作者自行開發(fā)成功的。

“同時也成立了衛(wèi)星激光測距協(xié)調(diào)組，以協(xié)調(diào)國內(nèi)觀測網(wǎng)的工作?，F(xiàn)有的衛(wèi)星激光測距單次測距精度優(yōu)于15毫米，實現(xiàn)了千赫茲高重頻測距、白天激光測距和漫反射測距，對合作目標測距最遠達到徑向4萬公里的同步軌道衛(wèi)星。”

李語強表示，在衛(wèi)星激光測距技術(shù)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)各家天文臺也一直在進行各種嘗試。“上海臺多年來一直嘗試開展月球激光測距工作，長春人衛(wèi)站也在進行月球激光測距相關(guān)的研究工作，紫金山天文臺也曾開展了月球激光測距空間試驗的預(yù)研究，云南天文臺多年致力于月球激光測距的相關(guān)研究，作了多項理論研究以及技術(shù)突破。但對于月球激光反射器和深空衛(wèi)星，由于探測距離遠，回波光子數(shù)極少，國內(nèi)此前一直沒有成功進行激光測距的先例?！?/p>

云南天文臺多年致力于空間目標激光測距研究工作，在激光測月方面作了深入的理論研究以及相關(guān)的技術(shù)方法研究。

基于現(xiàn)有的1.2米望遠鏡共光路激光測距平臺和波長為532納米的激光器，云南天文臺升級改造了1.2米望遠鏡伺服與光學(xué)系統(tǒng)，研制月球激光測距的計算機控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、光學(xué)擴束系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)鏡等，開展月球激光測距試驗，發(fā)展月球激光測距技術(shù)。

在1.2米望遠鏡基礎(chǔ)上，云南天文臺不但建立了激光測月系統(tǒng)，并針對激光測月的需求，開發(fā)并采用了新的望遠鏡指向模型，高精度激光收發(fā)轉(zhuǎn)鏡技術(shù)以及微弱信號識別算法。

激光測月系統(tǒng)建立完畢后，先后進行了多次地面靶測距試驗，之后針對不同軌道高度的合作目標，包括低軌、中軌、高軌以及同步衛(wèi)星進行了多次激光測距試驗。

“團組于2017年11月中旬開始正式開展激光測月試驗，在試驗中不斷摸索、總結(jié)經(jīng)驗，并解決了試驗中遇到的實際問題，包括月面特征的識別、望遠鏡的精確指向、強噪聲抑制等。針對激光測月回波信號十分微弱的特點，不斷優(yōu)化信號識別算法，并借用國外成功經(jīng)驗，獲得了驗證測月回波數(shù)據(jù)的方法?！?/p>

李語強回憶說，在1月5日晚的激光測月試驗中，獲得了少量Apollo15反射器疑似信號，經(jīng)過識別與驗證，判斷是回波信號；1月22日晚，激光測月試驗中，成功得獲得3組來自Apollo15的明確回波信號。此后，1月23日測得3組Apollo15、1組Apollo14和1組Apollo11數(shù)據(jù)；1月24日測得1組Apollo14；1月26日測得2組Apollo15、2組Apollo14、1組Apollo11。目前的測月試驗中，暫時還沒有對Luna17與Luna21兩個反射器開展測距試驗。

云南天文臺應(yīng)用天文研究團組經(jīng)過多年的理論研究與技術(shù)攻關(guān)，終于實現(xiàn)此次成功激光測距，填補了國內(nèi)空白，也為我國即將開展的“嫦娥四號”中繼星激光測距技術(shù)奠定良好基礎(chǔ)。