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月亮离我们有多远?

文章来源:中国科学报 张晶晶    发布时间:2018-03-02  【字号:      】

  云南天文台不但建立了激光测月系统,并针对激光测月的需求,开发并采用了新的望远镜指向模型,高精度激光收发转镜技术以及微弱信号识别算法。

  利用1.2米望远镜激光测距系统,多次成功探测到月面反射器Apollo15返回的激光脉冲信号。

  前不久,中国科学院云南天文台应用天文研究团组在国内首次成功实现月球激光测距,距离精度优于1米,为385823.433千米~387119.600千米。那么,地球离月亮到底有多远?激光测月又是怎么回事?

  地月激光测距

  历史上第一次测量月地距离的是希腊天文学家西帕恰斯,他利用月食测量了月地距离,根据掠过月面的地影曲线弯曲情况,能显示出地球与月亮的相对大小,再运用简单的几何学原理,便可以推算出月亮到地球的距离。

  西帕恰斯得出,月亮到地球的距离几乎是地球直径的30倍。假若他采纳了埃及拉特赛尼的地球直径数字,那么测量出月亮到地球的距离是381000千米,已经和当今测得的数字非常接近。

  所谓激光测月,是月球激光测距的简称,科学家通过精确测定激光脉冲从地面观测站到月面反射器的往返时间,从而计算地月距离。地月间激光测距是一项综合技术,它涵盖激光、光电探测、自动控制、空间轨道等多个学科领域,是目前地月距离测量精度最高的技术手段。

  云南天文台副研究员、此次地月测距负责人之一的李语强在采访中告诉《中国科学报》记者,月球激光测距作为最精确的地月测量手段至今已有近50年。“月球激光测距的观测资料对天文地球动力学、地月科学、月球物理学和引力理论等诸多科学研究有重要价值。比如测定月球的形状、大小以及表面特征和内部结构,引力理论和广义相对论效应的检验,等效原理的验证,万有引力常数的变化以及日月系统潮汐等。”

  月球激光测距系统(LLR,Lunar Laser Ranging)主要由月面激光反射器和地面激光观测设备所组成。1964年10月,美国NASA发射了第一颗带有后向反射器的卫星Beacon-B,并很快实现了对其卫星激光测距SLR(Satellite Laser Ranging)。

  1969年7月21日,阿波罗11号登月成功,宇航员N.Armstrong将激光后向反射器放置在月面预定位置上。月球激光反射器Apollo11大小为46平方厘米,装有100个直径为3.8厘米的熔石英材料的激光反射器。

  “这种激光反射器实际上是一个光学的四面体棱镜,具有对激光的入射方向与反射方向保持平行的特性,能保证在激光测距中光信号沿原发射方向返回。”李语强解释说。

  此后,美国人又在月面不同位置放置了Apollo14、Apollo15反射器阵列。苏联先后发射了月球登陆车Luna17和Luna21,在月面安置了Lunakhod17和Lunakhod21反射器阵列。至今,月面上共有这5个可供进行激光测月的角反射器阵列。

  首次成功测距

  有了角反射器阵列,激光测月才有可能。1969年8月1日,美国Lick天文台用3米口径的望远镜成功地观测到来自Apollo11反射器的激光测距回波信号;同年8月22日,美国McDonald站2.7米望远镜收到回波信号。此后,McDonald站一直发展完善,成为了全球最重要的激光测月站之一,之后陆续有法国、意大利、德国、澳大利亚、俄罗斯、日本、南非等多家测站进行过激光测月相关研究。

  “但能够进行常规激光测月的只有法国Grasse测站、意大利Matera测站以及美国Apollo测站和McDonald测站。”李语强介绍说。

  中国的卫星激光测距工作始于1972年,经历了从第一代到第三代的发展过程。目前,我国的人卫激光测距网由能正常观测的上海、武汉、北京、长春、昆明等观测站组成,都属于最新一代人卫激光测距系统。另有其他流动站正在运行,这些系统都是由中国科技工作者自行开发成功的。

  “同时也成立了卫星激光测距协调组,以协调国内观测网的工作。现有的卫星激光测距单次测距精度优于15毫米,实现了千赫兹高重频测距、白天激光测距和漫反射测距,对合作目标测距最远达到径向4万公里的同步轨道卫星。”

  李语强表示,在卫星激光测距技术的基础上,国内各家天文台也一直在进行各种尝试。“上海台多年来一直尝试开展月球激光测距工作,长春人卫站也在进行月球激光测距相关的研究工作,紫金山天文台也曾开展了月球激光测距空间试验的预研究,云南天文台多年致力于月球激光测距的相关研究,作了多项理论研究以及技术突破。但对于月球激光反射器和深空卫星,由于探测距离远,回波光子数极少,国内此前一直没有成功进行激光测距的先例。”

  为“嫦娥四号”中继星激光测距奠定基础

  云南天文台多年致力于空间目标激光测距研究工作,在激光测月方面作了深入的理论研究以及相关的技术方法研究。

  基于现有的1.2米望远镜共光路激光测距平台和波长为532纳米的激光器,云南天文台升级改造了1.2米望远镜伺服与光学系统,研制月球激光测距的计算机控制与数据处理系统、光学扩束系统以及转镜等,开展月球激光测距试验,发展月球激光测距技术。

  在1.2米望远镜基础上,云南天文台不但建立了激光测月系统,并针对激光测月的需求,开发并采用了新的望远镜指向模型,高精度激光收发转镜技术以及微弱信号识别算法。

  激光测月系统建立完毕后,先后进行了多次地面靶测距试验,之后针对不同轨道高度的合作目标,包括低轨、中轨、高轨以及同步卫星进行了多次激光测距试验。

  “团组于2017年11月中旬开始正式开展激光测月试验,在试验中不断摸索、总结经验,并解决了试验中遇到的实际问题,包括月面特征的识别、望远镜的精确指向、强噪声抑制等。针对激光测月回波信号十分微弱的特点,不断优化信号识别算法,并借用国外成功经验,获得了验证测月回波数据的方法。”

  李语强回忆说,在1月5日晚的激光测月试验中,获得了少量Apollo15反射器疑似信号,经过识别与验证,判断是回波信号;1月22日晚,激光测月试验中,成功得获得3组来自Apollo15的明确回波信号。此后,1月23日测得3组Apollo15、1组Apollo14和1组Apollo11数据;1月24日测得1组Apollo14;1月26日测得2组Apollo15、2组Apollo14、1组Apollo11。目前的测月试验中,暂时还没有对Luna17与Luna21两个反射器开展测距试验。

  云南天文台应用天文研究团组经过多年的理论研究与技术攻关,终于实现此次成功激光测距,填补了国内空白,也为我国即将开展的“嫦娥四号”中继星激光测距技术奠定良好基础。




(责任编辑:侯茜)

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