科學家告訴你，走到月球要幾步？

1月22日晚，中國科學院雲南天文台應用天文研究團組的研究人員成功地接收到了月球激光測距的回波信號，這是中國人首次成功利用激光精確地測量地球距月球的距離。

自古以來，人們對夜空中的月亮就充滿了好奇、嚮往與讚美，關於月亮的各種神話傳說、詩詞歌賦數不勝數。當人們「舉頭望明月」時，可能會思考這樣一個問題：月亮到底距離地上的我們有多遠呢？

在現代測量技術誕生前，最常用的測量地月距離的方法是視差法。最早有記錄的測量地月距離的是公元前四世紀時古希臘的天文學家，通過觀測月蝕的幾何位置，結合三角法計算出地月距離大約是59—67倍地球半徑。此後，人類利用包括掩星法和雷達等在內的各種方法嘗試測量地月距離，但測量精度都不高。

到了20世紀60年代，在實施登月計劃之前，美蘇開始進行激光測月試驗，但當時只能測量月面漫反射回波，測量精度十分有限。1969年7月21日，美國阿波羅11號登月成功，人類第一次踏上了月球的表面，登月宇航員帶了一個激光後向反射器陣列（Apollo11，圖1），並將其放置在月面預定位置上。成功登月僅數日之後，美國人即測到了來自 Apollo11 反射器的激光測距回波信號。

此後，美國利用阿波羅登月任務相繼在月面不同位置放置了 Apollo14、Apollo15 角反射器陣列，前蘇聯先後利用月球車 Luna17 號與 Luna21 號在月面安置了 Lunakhod17 和 Lunakhod21 反射器陣列，月面上共有5個可供進行激光測月的角反射器陣列（如圖2）。從此，月球激光測距 LLR（Lunar Laser Ranging）成為了最精準的地月距離測量手段。

圖1 Apollo11反射器陣列

圖2 月面反射器分布

之後的幾十年里，陸續有法國、義大利、德國等的多家測站進行過激光測月相關研究（如圖3），但是由於各種原因，能夠成功的只有極少數測站。近幾年，能夠進行常規激光測月的只有法國 Grasse 測站、義大利 Matera 測站以及美國APOLLO（ApachePoint Observatory Lunar Laser-ranging Operation）測站。

圖3 開展激光測月研究的測站

LLR 作為最精確的地月距離測量手段至今已有近50年，其原理十分簡單，即由地面測站向目標發射激光脈衝，測量激光脈衝的往返飛行時間，結合光速，從而計算出地面測站與目標之間的距離。但是，一座完整的 LLR 的地面站主要包括望遠鏡系統、光路系統、光子探測系統以及其他輔助系統，這是一項涉及多學科領域的複雜的精密技術。

圖4 激光測月原理示意圖

LLR 的觀測資料對天文地球動力學、地月科學、月球物理學和引力理論等諸多科學研究有著重要的價值，如測定月球的形狀、大小以及表面特徵和內部結構，引力理論和廣義相對論效應的檢驗，等效原理的驗證，萬有引力常數的變化以及日月系統潮汐等。隨著 LLR 資料的精度越來越高（目前為亞厘米級），科學研究結果的準確性也在不斷提高，LLR 資料可用於研究的科學領域也在不斷擴大。

我國的衛星激光測距工作始於1972年，至今已經歷了從第一代到第三代的發展過程。中國科學院雲南天文台應用天文研究團組多年來一直深耕月球激光測距的相關研究。得益於近年來國產大功率激光器的產生（美國的高性能激光器一直對中國禁運）和雲南天文台1.2米望遠鏡硬體的升級，還有科研人員在多項關鍵技術如收發轉鏡的研製與控制、望遠鏡的精確跟蹤指向模型、月面特徵識別、極微弱信號識別等方面的突破，雲南天文台終於具備了激光測月成功的軟硬體。他們在2017年11月先後多次進行了地面靶測距實驗、低軌衛星測距試驗、中高軌衛星測距試驗、同步衛星測距試驗。2018年1月22日、23日，雲南天文台連續測到了來自月面接收器的幾個回波信號，實現了中國月球激光測距從無到有的突破。

月球激光測距的成功將促進我國在地月科學等領域的科學研究，加深我國對月球的認識。月球激光測距技術由於其測量精度高的特點，將能夠為我國引力波探測計劃提供技術驗證與支持。最重要的是高精度的地月距離測量，可以為我國的嫦娥探月工程做出應有的貢獻，相信在不久的將來，中國人的嫦娥奔月將由神話變為現實。隨著中國的科技發展與進步，月球激光測距技術將有機會給未來的深空探測衛星保駕護航。

作者：李語強

來源：中國科學院雲南天文台