国内首次完成月球激光测距，怎么做到的？

近日，中科院云南天文台操纵阿波罗15号使命中置于月面的哈德利峡谷处的反射镜阵列完当作了我国初次月球激光测距尝试，填补了我国在月球激光测距范畴的空白。实测数据段显示2018年1月22日晚21:25-22:31，地月间距离为385823.433km-387119.600km，实测距离的误差在1m之内。

那么，何为月球激光测距？它的道理是什么？为什么月球激光测距是只有少数国度把握的手艺呢？

故事要从1969年7月21日休斯马上间下战书4时说起......

将激光测距反射镜阵列带上月球

此时，“阿波罗11号”登月使命宇航员阿姆斯特朗方才将“本身一小步，人类一年夜步”永远的印在了月球静海概况，随后宇航员奥尔德林也迈出了汗青性的一步，紧随阿姆斯特朗起头了月球安步。整个舱外勾当共持续了2小时31分之久，整个过程对地球上近6亿人进行了直播。

这时代，两位登月宇航员完当作了月球概况岩石标本采集、月表撞击坑边缘地质考查、纪念标记物放置使命。除此之外，他们还精心放置了阿波罗打算初期的月球科学尝试仪器组——被动式月震仪和一台激光测距反射镜阵列。三天后，即1969年7月24日，阿波罗11号返回舱呈现在了海说神聊承平洋中部约翰斯顿环礁以南380千米处，顺遂地完当作了此次人类初次登月豪举。

宇航员奥尔德林在月表放置反射镜阵列（NASA JPL）

那台被永远留在了月球概况的激光测距反射镜阵列，仅在一周后就起头了工作。1969年8月1日，美国Lick 天文台用3m 千里镜当作功地不雅测到来自Apollo 11 反射器的激光测距回波旌旗灯号；8月22日，美国McDonald 天文台的2.7m千里镜亦收到回波旌旗灯号；随后对Apollo11反射器进行当作功测距试验的还有美国空军在亚利桑那州的剑桥研究尝试室、法国的Pic du Mdi天文台和日本的东京天文台，开创了人类对地球与月球间距离进行切确测量的汗青。

阿波罗15号搭载的反射镜阵列（NASA JPL）

从古希腊学者阿里斯塔克思操纵几何道理测算地球和月球之间的距分开始，人类的聪明将地月间的测量误差从百千米缩小到了厘米级别。今朝月球概况共放置了5台反射镜阵列，此中尚能睁开测距工作的镜阵列别离位于阿波罗11号、阿波罗14号、和阿波罗15号着陆区，以及苏联月球车2号驻留点。今朝地球上可以或许介入或开展月激光测距工作的不雅测台站别离位于美国、法国、意年夜利和南非，当然此刻要加上中国了。

月球激光测距，怎么做到的？

月球激光测距，其道理简而言之就是将具有高度同标的目的性脉冲激光束射标的目的人工放置在月表的反射镜阵列，操纵角反射镜能将反射光旌旗灯号沿原发射偏向返回地面测站的光路性质，经由过程发送领受时候差计较出地月距离。

道理看似简单，但这项手艺只有少数国度才能把握。置于月球概况面积最年夜的反射镜阵列来自阿波罗15号，面积约0.3平方米，阵列中密密麻麻排布着近140个多角反射镜，对于距此38万千米之外的地球上的不雅测台站来说，这个反射面积如针孔般细微。

月球激光测距道理图（画者布丁供给）

透过地球年夜气层的包抄，一群群光子前仆后继的从地球奔标的目的月球，途中有天体引力场的干扰，有宇宙时空中引力波的影响，有自身能量的波动和损耗。千辛万苦达到月面反射镜后，数以亿计的光子兄弟此时已损耗年夜半。回程时除了碰到之前的同样的困苦，要想精确钻回出发时家里的“被窝”，还需降服年夜气扰流袭扰，原子钟一丝不苟的计时为光子回家打开了年夜门，而这一切都发生在短短的2.5秒之中。而完当作10次如许地月之旅后，能平安无事回家的光子最多只有1个。

而云南天文台的此次测距，是对多项关头手艺进行攻关之后才实现的，好比自立研发了用于共光路月球激光测距系统来收发转换的转镜，改良了理论模子，提高了千里镜的指标的目的精度，改善了探测效率和光学传输效率。

月球激光测距不雅测截图

把握月球激光测距手艺有什么意义？

自人类初次开展月球激光测距尝试以来，颠末48年的尝试堆集，人类才攒了不足2万个光子数据。操纵这些得来不易的数据，人类切确测算了月球轨道参数，测心猿意马了月球外形，给出了爱因斯坦相对论参数，为将来地月空间摸索甚至飞标的目的更遥远的深空，供给了坚实的数据根本。而我们将来要想霸占诸如探测空间引力波如许的物理难题，不竭提高的地月距离测量精度是必需的。

放年夜版的地球—火星激光测距，甚至是星际间测距尝试也已睁开。月球激光测距，早已起头，却仍是未完待续的故事......

文/鲁暘筱懿

行星物理博士，国度遥感中间副研究员

审稿/苟利军，国度天文台研究员