月亮離我們有多遠(yuǎn)？

張晶晶

自古以來，人們對(duì)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(shí)，可能會(huì)思考這樣一個(gè)問題：月亮到底距離地上的我們有多遠(yuǎn)呢？

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

云南天文臺(tái)不但建立了激光測(cè)月系統(tǒng)，并針對(duì)激光測(cè)月的需求，開發(fā)并采用了新的望遠(yuǎn)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(hào)識(shí)別算法。

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

前不久，中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)應(yīng)用天文研究團(tuán)組在國(guó)內(nèi)首次成功實(shí)現(xiàn)月球激光測(cè)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(yuǎn)？激光測(cè)月又是怎么回事？

歷史上第一次測(cè)量月地距離的是希臘天文學(xué)家西帕恰斯，他利用月食測(cè)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(duì)大小，再運(yùn)用簡(jiǎn)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(cè)量出月亮到地球的距離是381000千米，已經(jīng)和當(dāng)今測(cè)得的數(shù)字非常接近。

所謂激光測(cè)月，是月球激光測(cè)距的簡(jiǎn)稱，科學(xué)家通過精確測(cè)定激光脈沖從地面觀測(cè)站到月面反射器的往返時(shí)間，從而計(jì)算地月距離。地月間激光測(cè)距是一項(xiàng)綜合技術(shù)，它涵蓋激光、光電探測(cè)、自動(dòng)控制、空間軌道等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是目前地月距離測(cè)量精度最高的技術(shù)手段。

云南天文臺(tái)副研究員、此次地月測(cè)距負(fù)責(zé)人之一的李語強(qiáng)介紹說，月球激光測(cè)距作為最精確的地月測(cè)量手段至今已有近50年?！霸虑蚣す鉁y(cè)距的觀測(cè)資料對(duì)天文地球動(dòng)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(jià)值。比如測(cè)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(duì)論效應(yīng)的檢驗(yàn)，等效原理的驗(yàn)證，萬有引力常數(shù)的變化以及日月系統(tǒng)潮汐等?！?/p>

月球激光測(cè)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(cè)設(shè)備所組成。1964年10月，美國(guó)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(shí)現(xiàn)了對(duì)其衛(wèi)星激光測(cè)距SLR（Satellite Laser Ranging）。

1969年7月21日，阿波羅11號(hào)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(gè)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(shí)際上是一個(gè)光學(xué)的四面體棱鏡，具有對(duì)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(cè)距中光信號(hào)沿原發(fā)射方向返回?！崩钫Z強(qiáng)解釋說。

此后，美國(guó)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(gè)可供進(jìn)行激光測(cè)月的角反射器陣列。

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

“但能夠進(jìn)行常規(guī)激光測(cè)月的只有法國(guó)Grasse測(cè)站、意大利Matera測(cè)站以及美國(guó)Apollo測(cè)站和McDonald測(cè)站。”李語強(qiáng)介紹說。

中國(guó)的衛(wèi)星激光測(cè)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(guó)的人衛(wèi)激光測(cè)距網(wǎng)由能正常觀測(cè)的上海、武漢、北京、長(zhǎng)春、昆明等觀測(cè)站組成，都屬于最新一代人衛(wèi)激光測(cè)距系統(tǒng)。另有其他流動(dòng)站正在運(yùn)行，這些系統(tǒng)都是由中國(guó)科技工作者自行開發(fā)成功的。

“同時(shí)也成立了衛(wèi)星激光測(cè)距協(xié)調(diào)組，以協(xié)調(diào)國(guó)內(nèi)觀測(cè)網(wǎng)的工作?，F(xiàn)有的衛(wèi)星激光測(cè)距單次測(cè)距精度優(yōu)于15毫米，實(shí)現(xiàn)了千赫茲高重頻測(cè)距、白天激光測(cè)距和漫反射測(cè)距，對(duì)合作目標(biāo)測(cè)距最遠(yuǎn)達(dá)到徑向4萬公里的同步軌道衛(wèi)星?！?/p>

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

云南天文臺(tái)多年致力于空間目標(biāo)激光測(cè)距研究工作，在激光測(cè)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(yuǎn)鏡共光路激光測(cè)距平臺(tái)和波長(zhǎng)為532納米的激光器，云南天文臺(tái)升級(jí)改造了1.2米望遠(yuǎn)鏡伺服與光學(xué)系統(tǒng)，研制月球激光測(cè)距的計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、光學(xué)擴(kuò)束系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)鏡等，開展月球激光測(cè)距試驗(yàn)，發(fā)展月球激光測(cè)距技術(shù)。

在1.2米望遠(yuǎn)鏡基礎(chǔ)上，云南天文臺(tái)不但建立了激光測(cè)月系統(tǒng)，并針對(duì)激光測(cè)月的需求，開發(fā)并采用了新的望遠(yuǎn)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(hào)識(shí)別算法。

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

“團(tuán)組于2017年11月中旬開始正式開展激光測(cè)月試驗(yàn)，在試驗(yàn)中不斷摸索、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并解決了試驗(yàn)中遇到的實(shí)際問題，包括月面特征的識(shí)別、望遠(yuǎn)鏡的精確指向、強(qiáng)噪聲抑制等。針對(duì)激光測(cè)月回波信號(hào)十分微弱的特點(diǎn)，不斷優(yōu)化信號(hào)識(shí)別算法，并借用國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)，獲得了驗(yàn)證測(cè)月回波數(shù)據(jù)的方法?！?/p>

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

云南天文臺(tái)應(yīng)用天文研究團(tuán)組經(jīng)過多年的理論研究與技術(shù)攻關(guān)，終于實(shí)現(xiàn)此次成功激光測(cè)距，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，也為我國(guó)即將開展的“嫦娥四號(hào)”中繼星激光測(cè)距技術(shù)奠定良好基礎(chǔ)。