“天琴计划”激光测距实现大突破，地月激光测距究竟怎么回事？

Posted 2021-03-22

撰文：鲁暘筱懿（国家遥感中心副研究员）
　　经过近半年的努力，中山大学“天琴计划”团队已经多次成功实现了地月距离的激光测量，并在国内首次得到月球表面全部五个激光后向反射器阵列（以下简称“激光反射器”）的回波信号。　　
　　那么引起广泛关注的地月激光测距与“天琴计划”之间有何联系？地月激光测距的原理和历史如何？
　　<strong>天琴的“0 颗星”</strong>
　　自然界中，相互绕转的紧凑双星系统、大质量天体的碰撞合并、超新星爆发等极端事件都能产生较强的引力波。爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。但是由于产生引力波的条件极其苛刻，人工手段很难产生能够被探测到的引力波。直到 1974 年，普林斯顿大学的赫尔斯和泰勒首次在双星系统中发现一颗变星，他们借此观察到这个双星系统的演化与广义相对论预言的通过引力波辐射造成轨道周期变化的结果一致，从而间接证明了引力波的存在。
　　<strong>“天琴计划”采用三颗卫星（如图所示 SC1，SC2，SC3）构成一个等边三角形阵列，每颗卫星内部包含一个或两个悬浮检验质量。</strong>卫星上将安装可变推力的微牛级推进器，实时调节卫星姿态，使得检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。卫星外壳保护局下，检验质量将只在引力的作用下运动，且不受来自太阳风或太阳光压等细微的非引力干扰。高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化，从而获得有关引力波的信息。
　　<strong>天琴计划将首先发展月球和深空卫星激光测距技术，帮助实现对天琴卫星毫米级的定轨精度，即实施“天琴计划”0 颗星步骤。</strong>通过位于中山大学珠海校区的激光测距台站，实现对部署在月球上全部五个激光反射器地月距离测量正是“天琴计划”初始阶段最重要的一步。相比后续将要开展的有卫星参与的卫星空间激光测距，地基激光测距要容易许多。
　　<strong>地月间激光测距</strong>
　　<strong>看着容易做着难</strong>
自 1969 年 7 月 21 日，美国宇航局阿波罗 11 号登月飞船第一次实现载人登月，宇航员阿姆斯特朗成功在月球上放置了第一个激光反射器以来，人类又通过阿波罗 14 号、阿波罗 15 号、月球 17 号、月球 21 号四个成功登月的飞船陆续在月球正面放置了四个激光反射器。除去实施登月计划耗费的人力物力，这些月球上的人造科学仪器要发挥功效，人类要付出更多努力。
　　 <strong>激光测距的原理其实很简单——通过测量激光从发射到月面再反射到达地球的时间，乘以光速再除以二，就是地月距离。</strong>尽管原理看似简单，但这项技术只有少数国家才能掌握。
　　置于月球表面面积最大的反射镜阵列来自阿波罗 15 号，面积约 0.3 平方米，阵列中密密麻麻排列着近 140 个角反射镜，对于距此 38 万千米之外的地球上的观测台站来说，这个反射面积如针孔般渺小。透过地球大气层的包围，光子们前赴后继的从地球奔向月球，克服地球大气层散射途中，月面极低的反射率等阻碍，千辛万苦到达月面反射镜后，数以亿计的光子兄弟此时已损耗大半。回程时除了遇到之前的同样的困苦，要想准确进入直径只有 1 米的镜筒中，还需克服大气扰流袭扰，原子钟一丝不苟的计时为光子回家打开了大门，而这一切都发生在短短的 2.5 秒之中。而完成 10 次这样地月之旅后，能安然无恙回家的光子最多只有 1 个。50 年不间断测量实验后，人类仅得到 1.8 万个有效光子数据。
　　<strong>没有激光器，古人靠啥晓月之远近？</strong>
在还没发明激光器的古希腊，天文学家喜帕恰斯为构造几何学中相似三角形，分别选择了经度接近而纬度不同的尼西亚城和亚历山大城作为观测日食的地点。相比于前者观测到的日全食，后者却只能看到日偏食，月球遮住了太阳的4/5。由此，他推算出了月球的视差。代入当时计算的不太精确的地球直径，得到地月距离约 41 万千米，与今天精密测量的 38.4 万千米(平均距离)误差约8%。
　　经过千年来的技术进步和演化，人类的智慧已将地月间的测量误差从百千米缩小到了厘米级别。借助激光测距技术，现在我们知道月球正以每年 3.8cm 的速度逃离地球。
从用小木棍在地上画几何图形，到人类利用激光测距技术精确测量地球与月球之间的距离，再到旅行者号飞船即将成为外太阳系星际探测器，人类在短短千年间就将逻辑想象和技术实践有机结合在一起。未来人类将通过引力波这扇上帝之门敲开或许是另一维度的宇宙空间。