什麼！現在的科學家還在測月亮離我們有多遠？
嘮科
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7月20日，人類月球日，49年前的今天，人類第一次登月成功，邁出了對外太空進行探索的第一步。正如美國宇航員阿姆斯特朗所說，這是個人的一小步，卻是人類的一大步。
在2018年1月22日、23日，中國科學院雲南天文台連續測到往返約38萬公里距離的激光回波信號，首次成功實現我國激光測月試驗，這標誌著我國成為繼美國、法國、義大利之後第四個成功實現激光測月的國家。這同樣是我國在天文和空間技術領域向世界邁出的重要一步。
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30年月亮最亮之夜（2016.11.14）
拍攝於國科大雁棲湖校區
月球是一個古老而又神秘的天體，它在人類生存的歷史歲月里一直與我們相依相伴如影隨形。我們每個人對月亮都有著獨特的情感。花好月圓夜我們中秋相聚，合家團圓共話離家別緒；月上柳梢頭我們河畔相約，相偎相依共話相思物語。月嫵媚動人溫柔體己，靜默守候我們從不離棄。詩人泰戈爾眼中的月卻是遙不可及的，他曾寫道：
世界上最遙遠的距離
是魚與飛鳥的距離
是嫦娥在月亮上
我的愛深藏海底
在他看來，世界上最遙遠的距離就是地球到月亮的距離。月亮距離我們到底有多遠，月亮上有什麼，這些問題從古至今激起了無數人對月亮的美好想像與嚮往。從嫦娥奔月的神話故事到現代的「嫦娥三號」衛星發射，經歷了數千年的春秋，探索月亮已經不再是遙不可及的事情。不斷發掘月球上的奧秘，已經成為今日科學家孜孜不倦的追求。中國科學院雲南天文台使用激光測距技術終於精確測量到月球與地球間的距離。
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激光測月的原理——
這門技術活到底有多難？
1.2米望遠鏡正在進行月球激光測距
簡單地說激光測距就是使用一束激光，測量人類所在地面到月亮表面間遙遠的距離。它的測量原理是什麼呢？我們在地面上發射一束激光照射到月亮上，然後測量光從出發到回來的時間，根據光的速度為3.0×108km/s計算出地球到月亮的距離。激光就好比一把光很強很強的手電筒，就像我站在地上拿著這個「手電筒」往月亮上照射，然後在月亮上放一面鏡子，當光照射到鏡子上時會把光反射回來，我們記錄下光射出和返回的時刻，然後就可以測量出我們與嫦娥姐姐之間的距離。聽著簡單好玩吧，但是在做科學測量的時候可就不是那麼簡單了，下面我們來看看測量的技術難度：
一是回波光子少，信號弱
地球與月亮之間的距離大約為384000000米（38.4萬千米）。首先要測量這麼遠的距離就需要足夠強的激光。激光在空氣中會受到大氣的吸收散射而衰減，並且激光的回波光子數與距離的四次方成反比，就好比我們在北京發射一束光到100千米的高空，假如它返回來的光能量大約有10000個光子，在相同條件下還是從北京用同一束光發射到1000千米高空再回來就減少到只有一個光子了，在這麼短的距離差上光的強度就衰減了近1萬倍，在實際測量中衰減會更嚴重。對於距地面更遙遠的月球發射激光再讓它回來時就衰減得很弱很弱。
激光測月系統探測到回波信號
目前我們所測回來的光子信號非常微弱，光子少到即使是使用目前的科學技術也比較難探測到，以至於目前國際上只有少數幾個天文台站能夠實現激光測月。
二是要求測量精度高
我們所做的地球到月球的距離測量通常是用於科學研究，這就需要很高的精度。目前我們試驗階段首次測得的距離精度在1米以內，在我們的計劃任務中需要把這個誤差精度提高到2cm，而在此之前我國測量地球到月球這個距離的精度誤差大約在百米級左右，這個差別就好像兩個人在某地相約，用手機地圖導航。如果手機定位在一百米左右，在城市裡要找位置可能需要圍繞定位的地方到處轉卻找不到他；而定位精度在一米以內我們可以快速準確定位然後輕鬆找到。而我們的科學目標需要把定位的精度提高到2cm，這對今後我們在太空實現飛船的交會對接，空中加油與補給品運送，太空實驗和科學研究，載人登月，火星探測，重要位置的太空攔截與爭奪太空領空權等都有幫助。
阿波羅15號反射器激光測距數據信號圖
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月球上探測裝置的真面孔？
我在茫茫人海里尋你不見，角反射器
科學家們在月球表面上放置了五面鏡子用於「手電筒」發射的光反射回來，而這鏡子可不是普通的鏡子，它是經過特殊處理的，科學家們把它叫作角反射器。目前月球上安裝的有阿波羅11、阿波羅14、阿波羅15和Lunakhod1、Lunakhod2（月球車1號、月球車2號）五個角反射器，但目前成功使用最多的主要是阿波羅15號，其次是阿波羅11和14，比較難測到的是月球車1和月球車2，其中阿波羅15角反射器是大小約為0.3平方米，重量約為20kg的一塊面板。這塊鏡子在月球上需要經歷太空中「風吹日晒」數十年依舊頑強工作，試想在茫茫宇宙中需要把一束光照射到一個電腦屏幕大小的鏡面上再讓光返回望遠鏡，這就如同在茫茫大海中準確尋找一根針，如何利用望遠鏡把光照射到鏡面也是很大的挑戰，望遠鏡發出的激光的所指方向稍微有一點點偏差或者望遠鏡稍稍抖動一點點，這個抖動或偏差乘以38萬千米的距離將會帶來巨大的偏差，此之謂失之毫釐差之千里。
中國科學院雲南天文台1.2米望遠鏡
中國科學院雲南天文台在激光測月試驗中，使用的設備和參數如下：望遠鏡採用1.2米口徑的地平式望遠鏡共光路系統，使用波長為532nm的激光照射到阿波羅15角反射器上，脈衝寬度為10ns，脈衝能量為3.3J，測量精度偏差在1米以內，之後又相繼測到阿波羅11和阿波羅14角反射器。雲南天文台1.2米望遠鏡於1990年投入使用，歷經二十多年技術的積累並獨立研發了測量設備，並培養了一批包括光學系統、光電探測、自動控制、儀器研製、軟體開發、空間軌道、理論研究分析等各分系統的技術青年人才儲備。
正在進行月球激光測距的光學房
自適應光學房
科學產出的背後是科學家們在無數個夜晚的孤燈奮戰，通宵達旦。為激光測月技術的儲備，雲南天文枱曆經四代人二十多年的堅持不懈共同努力，於2018年1月22日晚成功測到來自38萬公里外的回波光子，標誌著我國成為第四個實現激光測月的國家（此前有美國、法國、義大利）。而在這成功測月的背後是幾代人多少年來努力的汗水。這是我國首次有能力實現激光測月，是我國在天文和空間技術領域向世界邁出的重要一步。
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為什麼要測月
愛你猶如飛蛾撲火，
即使困難重重也要堅定信念，
努力前行。
中國科學院雲南天文台應用天文研究團組此次激光測月是與中山大學天琴中心的合作研究項目，天琴計劃是中山大學天琴中心提出的一個項目，它計劃發射3顆衛星在地球軌道上組成編隊飛行（猶如飛機在天空飛行，按照計劃使飛機在空中保持特定的位置嚴格列隊飛行），通過高精度光學探測手段——激光測距來實現衛星編隊的精確入軌飛行，旨在探測空間中的引力波，重力場測量及檢測廣義相對論中的等效原理等。而完成上述科學任務需要把3顆編隊衛星的軌道（飛行軌跡）確定在厘米到毫米量級，而目前的科學技術包括內北斗、GPS、VLBI等導航定位在地月距離範圍內暫時無法達到這麼高的精度，而精光測距是目前精度最高的探測方式，所以利用激光測距光學輔助衛星精確入軌，對我國進一步開展天琴計劃和探索太空有極大推動作用。
1.2米望遠鏡夜景
中國科學院雲南天文台是天琴計劃的合作單位，天琴計劃主要分四階段進行，而第一步就是需要完成月球與衛星之間精確的激光測距系統的部署和地面輔助設施的建設。此次激光測月的成功對今後我國開展地月範圍內的高精度定位有著重要意義，它有利於我國向著月球探測，載人登月，火星探測等太空領域邁進。
引力波已成為當代熱門研究領域，目前歐美各國都在爭相探測引力波。雖然科學無國界，但如果能看到自己的祖國在重大科學技術領域有所突破，我們還是由衷地為祖國的強大而自豪。
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再來看看激光測月在未來的應用！
我在你看不到的遙遠未來，
相信真愛，我自與你同在。
激光測月是目前遠距離測量中精度最高的探測技術，它有著廣泛的應用。舉個例子，我們要對在月球附近飛行的衛星進行空中加油和貨物補給，那麼就需要進行衛星的交會對接，簡單地說就是兩顆衛星需要在月球附近手牽手親密接觸同伴而行。在這麼遠的距離要實現交會對接就需要先精確測量兩衛星所在的位置，再經過調整讓兩衛星慢慢靠近，最後合二為一。在遠距離範圍內定位精度不高時，很可能會發生兩個衛星撞擊破壞而導致任務失敗。如果有了高精度的激光測距技術，就能夠在特定的時間內輔助以讓其順利實現交會對接，保證航天任務順利進行。
我們也知道，最近特朗普簽署了重返月球計劃。我國計劃在2020年左右實現載人登月，計劃把人送到月球完成相關研究。要把宇航員成功送入到指定的安全位置，就需要高精度的測量來確定其是否達到指定的安全位置，而在未來利用激光測月技術就可以通過飛船攜帶一個角反射器來精確確定入軌點位置和降落點位置，保證科學任務的順利實施和宇航員的安全著落及返回。
激光測距還是目前確定地心，也就是測量地球的質量中心位置，的唯一測量方式。通過測量地心可以建立大地的參考框架，通過以地心為我們周圍事物的坐標原點來研究和描述我們周圍地球上的空間位置，從而解惑人類思索的古老問題——「我是誰」「來自何方」「身處何地」「該往哪去」。
夢裡尋她千百度，
驀然回首，你在燈火闌珊處。
中國科學院雲南天文台首次實現國內激光測月，是繼美國McDonald天文台站、ApachePoint天文台站、法國Grasse天文台站和義大利Matera之後第五個成功實現激光測月的天文台站，中國成為繼美國、法國、義大利之後第四個成功實現激光測月的國家。我國的天文事業向著更高的方向邁出重要一步，在天文、空間科學和國防事業上有了更進一步發展。
峨眉月落（天文協會會長張磊攝）
此次激光測月的成功，離不開國家對科學技術的大力支持，離不開中國科學院國家天文台、上海天文台、長春人衛站、光電院、長光所、光電所等兄弟單位及中山大學天琴中心的支持，我們將不忘初心，繼續前行，把我國天文和空間科學事業做得更好、更准、更強，為我國實現偉大復興中國夢而努力奮鬥。
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