國內首次完成月球激光測距，怎麼做到的？

文/魯暘筱懿

行星物理博士，國家遙感中心副研究員

審稿/苟利軍，國家天文台研究員

近日，中科院雲南天文台利用阿波羅15號任務中置於月面的哈德利峽谷處的反射鏡陣列完成了我國首次月球激光測距實驗，填補了我國在月球激光測距領域的空白。實測數據段顯示2018年1月22日晚21:25-22:31，地月間距離為385823.433km-387119.600km，實測距離的偏差在1m之內。

那麼，何為月球激光測距？它的原理是什麼？為什麼月球激光測距是只有少數國家掌握的技術呢？

故事要從1969年7月21日休斯頓時間下午4時說起......

將激光測距反射鏡陣列帶上月球

此時，「阿波羅11號」登月任務宇航員阿姆斯特朗剛剛將「自己一小步，人類一大步」永久的印在了月球靜海表面，隨後宇航員奧爾德林也邁出了歷史性的一步，緊隨阿姆斯特朗開始了月球漫步。整個艙外活動共持續了2小時31分之久，整個過程對地球上近6億人進行了直播。

這期間，兩位登月宇航員完成了月球表面岩石標本採集、月表撞擊坑邊緣地質考察、紀念標誌物放置任務。除此之外，他們還精心放置了阿波羅計劃初期的月球科學實驗儀器組——被動式月震儀和一台激光測距反射鏡陣列。三天後，即1969年7月24日，阿波羅11號返回艙出現在了北太平洋中部約翰斯頓環礁以南380千米處，順利地完成了這次人類首次登月壯舉。

宇航員奧爾德林在月表放置反射鏡陣列（NASA JPL）

那台被永遠留在了月球表面的激光測距反射鏡陣列，僅在一周後就開始了工作。1969年8月1日，美國Lick 天文台用3m 望遠鏡成功地觀測到來自Apollo 11 反射器的激光測距回波信號；8月22日，美國McDonald 天文台的2.7m望遠鏡亦收到回波信號；隨後對Apollo 11反射器進行成功測距試驗的還有美國空軍在亞利桑那州的劍橋研究實驗室、法國的Pic du Mdi天文台和日本的東京天文台，開創了人類對地球與月球間距離進行精確測量的歷史。

阿波羅15號搭載的反射鏡陣列（NASA JPL）

從古希臘學者阿里斯塔克思利用幾何原理測算地球和月球之間的距離開始，人類的智慧將地月間的測量誤差從百千米縮小到了厘米級別。目前月球表面共放置了5台反射鏡陣列，其中尚能展開測距工作的鏡陣列分別位於阿波羅11號、阿波羅14號、和阿波羅15號著陸區，以及蘇聯月球車2號駐留點。目前地球上能夠參與或開展月激光測距工作的觀測台站分別位於美國、法國、義大利和南非，當然現在要加上中國了。

月球激光測距，怎麼做到的？

月球激光測距，其原理簡而言之就是將具有高度同向性脈衝激光束射向人工放置在月表的反射鏡陣列，利用角反射鏡能將反射光信號沿原發射方向返回地面測站的光路性質，通過發送接收時間差計算出地月距離。

原理看似簡單，但這項技術只有少數國家才能掌握。置於月球表面面積最大的反射鏡陣列來自阿波羅15號，面積約0.3平方米，陣列中密密麻麻排布著近140個多角反射鏡，對於距此38萬千米之外的地球上的觀測台站來說，這個反射面積如針孔般渺小。

月球激光測距原理圖（畫者布丁提供）

透過地球大氣層的包圍，一群群光子前赴後繼的從地球奔向月球，途中有天體引力場的干擾，有宇宙時空中引力波的影響，有自身能量的波動和損耗。千辛萬苦到達月面反射鏡後，數以億計的光子兄弟此時已損耗大半。回程時除了遇到之前的同樣的困苦，要想準確鑽回出發時家裡的「被窩」，還需克服大氣擾流襲擾，原子鐘一絲不苟的計時為光子回家打開了大門，而這一切都發生在短短的2.5秒之中。而完成10次這樣地月之旅後，能安然無恙回家的光子最多只有1個

而雲南天文台的此次測距，是對多項關鍵技術進行攻關之後才實現的，比如自主研發了用於共光路月球激光測距系統來收發轉換的轉鏡，改進了理論模型，提高瞭望遠鏡的指向精度，改善了探測效率和光學傳輸效率。

月球激光測距觀測截圖

掌握月球激光測距技術有什麼意義？

自人類首次開展月球激光測距實驗以來，經過48年的實驗積累，人類才攢了不足2萬個光子數據。利用這些得來不易的數據，人類精確測算了月球軌道參數，測定了月球形狀，給出了愛因斯坦相對論參數，為未來地月空間探索乃至飛向更遙遠的深空，提供了堅實的數據基礎。而我們未來要想攻克諸如探測空間引力波這樣的物理難題，不斷提高的地月距離測量精度是必須的。

放大版的地球—火星激光測距，甚至是星際間測距實驗也已展開。月球激光測距，早已開始，卻仍是未完待續的故事......

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