唠科 || 什么！现在的科学家还在测月亮离我们有多远？
2018/7/21 10:24:34 中国科学院大学
唠科
像唠嗑一样聊科学。
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7月20日，人类月球日，49年前的那天，人类第一次登月成功，迈出了人类对外太空进行探索的第一步。正如美国宇航员阿姆斯特朗所说，这是个人的一小步，却是人类的一大步。
在2018年，中国科学院云南天文台连续测到往返约38万公里距离的激光回波信号，首次成功实现我国激光测月试验，这标志着我国成为继美国、法国、意大利之后少数几个成功实现激光测月的国家，同时也是我国在天文和空间技术领域向世界迈出的重要一步。
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30年月亮最亮之夜(2016.11.14)
拍摄于国科大雁栖湖校区
月球是一个古老而又神秘的天体，它在人类生存的历史岁月里一直与我们相依相伴如影随形。我们每个人对月亮都有着独特的情感。花好月圆夜我们中秋相聚，合家团圆共话离家别绪；月上柳梢头我们河畔相约，相偎相依共话相思物语。月妩媚动人温柔体己，静默守候我们从不离弃。
皓月当空，从古至今激起了无数人对月亮的美好和向往，可是月亮距离我们到底有多远，月亮上又究竟有什么，月球的神秘面纱始终激励着我们对她永无止境的探索。从嫦娥奔月的神话故事到嫦娥四号中继星“鹊桥”发射，经历了数千年的春秋，探索月亮已经不再是遥不可及的事情。不断发掘月球上的奥秘，已经成为今日科学家孜孜不倦的追求。中国科学院云南天文台使用激光测距技术终于精确测量到月球与地球间的距离。
1
激光测月的原理——
这门技术活到底有多难？
1.2米望远镜正在进行月球激光测距
简单地说激光测距就是使用一束激光，测量人类所在地面到月亮表面间遥远的距离。它的测量原理是什么呢？我们在地面上发射一束激光照射到月亮上，然后测量光从出发到回来的时间，根据光的速度为3.0×108m/s计算出地球到月亮的距离。激光就好比一把光很强很强的手电筒，就像我站在地上拿着这个“手电筒”往月亮上照射，然后在月亮上放一面镜子，当光照射到镜子上时会把光反射回来，我们记录下光射出和返回的时刻，然后就可以测量出我们与嫦娥姐姐之间的距离。听着简单好玩吧，但是在做科学测量的时候可就不是那么简单了，下面我们来看看测量的技术难度：
一是回波光子少，信号弱
地球与月亮之间的距离大约为384000000米(38.4万千米)。首先要测量这么远的距离就需要足够强的激光。激光在空气中会受到大气的吸收散射而衰减，并且激光的回波光子数与距离的四次方成反比，就好比我们在北京发射一束光到100千米的高空，假如它返回来的光能量大约有10000个光子，在相同条件下还是从北京用同一束光发射到1000千米高空再回来就减少到只有一个光子了，在这么短的距离差上光的强度就衰减了近1万倍，在实际测量中衰减会更严重。对于距地面更遥远的月球发射激光再让它回来时就衰减得很弱很弱。
激光测月系统探测到回波信号
目前我们所测回来的光子信号非常微弱，光子少到即使是使用目前的科学技术也比较难探测到，以至于目前国际上只有少数几个天文台站能够实现激光测月。
二是要求测量精度高
我们所做的地球到月球的距离测量通常是用于科学研究，这就需要很高的精度。目前我们试验阶段首次测得的距离精度在1米以内，在我们的计划任务中需要把这个误差精度提高到2cm，而在此之前我们用其他技术测量月球的精度误差大约在百米级左右，这个差别就好像两个人在某地相约，用手机地图导航。如果手机定位在一百米左右，在城市里要找位置可能需要围绕定位的地方到处转却找不到他；而定位精度在一米以内我们可以快速准确定位然后轻松找到。而我们的科学目标需要把定位的精度提高到2cm，这对今后我们在太空实现飞船的交会对接，空中加油与补给品运送，太空实验和科学研究，载人登月，火星探测，重要位置的太空拦截与争夺太空领空权等都有帮助。
阿波罗15号反射器激光测距数据信号图
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月球上探测装置的真面孔？
我在茫茫人海里寻你不见，角反射器
科学家们在月球表面上放置了五面镜子用于“手电筒”发射的光反射回来，而这镜子可不是普通的镜子，它是经过特殊处理的，科学家们把它叫作角反射器。目前月球上安装的有阿波罗11、阿波罗14、阿波罗15和Lunakhod1、Lunakhod2(月球车1号、月球车2号)五个角反射器，但目前成功使用最多的主要是阿波罗15号，其次是阿波罗11和14，比较难测到的是月球车1和月球车2，其中阿波罗15角反射器是大小约为0.3平方米，重量约为20kg的一块面板。这块镜子在月球上需要经历太空中“风吹日晒”数十年依旧顽强工作，试想在茫茫宇宙中需要把一束光照射到一个电脑屏幕大小的镜面上再让光返回望远镜，这就如同在茫茫大海中准确寻找一根针，如何利用望远镜把光照射到镜面也是很大的挑战，望远镜发出的激光的所指方向稍微有一点点偏差或者望远镜稍稍抖动一点点，这个抖动或偏差乘以38万千米的距离将会带来巨大的偏差，此之谓失之毫厘差之千里。
同时由于阿波罗15角反射器上有300个反射点，我们的光照射到这面镜子时无法确定是这300个点上面的哪一个点反射回来，这导致我们在测量精度上有所限制，目前我国天琴计划中正在研制新一代角反射器并计划通过嫦娥四号送到月球上，下一代激光测距技术即将到来，我国这一研制将有助于推动国际激光测月向着更高精度发展。
中国科学院云南天文台1.2米望远镜
中国科学院云南天文台在激光测月试验中，使用的设备和参数如下：望远镜采用1.2米口径的地平式望远镜共光路系统，使用波长为532nm的激光照射到阿波罗15角反射器上，脉冲宽度为10ns，脉冲能量为3.3J，测量精度偏差在1米以内，之后又相继测到阿波罗11和阿波罗14角反射器。云南天文台1.2米望远镜于1990年投入使用，历经二十多年技术的积累并独立研发了测量设备，并培养了一批包括光学系统、光电探测、自动控制、仪器研制、软件开发、空间轨道、理论研究分析等各分系统的技术青年人才储备。
正在进行月球激光测距的光学房
科学产出的背后是科学家们在无数个夜晚的孤灯奋战，通宵达旦。为激光测月技术的储备，云南天文台历经三代人二十多年的坚持不懈共同努力，于2018年1月22日晚成功测到来自38万公里外的回波光子，标志着我国成为少数几个实现激光测月的国家(此前有美国、法国、意大利)。而在这成功测月的背后是几代人多少年来努力的汗水。这是我国首次有能力实现激光测月，是我国在天文和空间技术领域向世界迈出的重要一步。
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为什么要测月
爱你犹如飞蛾扑火，
即使困难重重仍要
坚定信念，努力前行。
中国科学院云南天文台应用天文研究团组此次激光测月是与中山大学天琴中心的合作研究项目，天琴计划是中山大学天琴中心提出的一个项目，它计划发射3颗卫星在地球轨道上组成编队飞行(犹如飞机在天空飞行，按照计划使飞机在空中保持特定的位置严格列队飞行)，通过高精度光学探测手段——激光测距来实现卫星编队的精确入轨飞行，旨在探测空间中的引力波，重力场测量及检测广义相对论中的等效原理等。而完成上述科学任务需要把3颗编队卫星的轨道(飞行轨迹)确定在厘米到毫米量级，而目前的科学技术包括内北斗、GPS、VLBI等导航定位在地月距离范围内暂时无法达到这么高的精度，而激光测距是目前精度最高的探测方式，所以利用激光测距光学辅助卫星精确入轨，对我国进一步开展天琴计划和探索太空有极大推动作用。
1.2米望远镜夜景
中国科学院云南天文台是天琴计划的合作单位，天琴计划主要分四阶段进行，而第一步就是需要完成月球与卫星之间精确的激光测距系统的部署和地面辅助设施的建设。此次激光测月的成功对今后我国开展地月范围内的高精度定位有着重要意义，它有利于我国向着月球探测，载人登月，火星探测等太空领域迈进。
引力波已成为当代热门研究领域，目前欧美各国都在争相探测引力波。虽然科学无国界，但如果能看到自己的祖国在重大科学技术领域有所突破，我们还是由衷地为祖国的强大而自豪。
4
再来看看激光测月在未来的应用!
我在你看不到的遥远未来，
相信真爱，我自与你同在。
激光测月是目前远距离测量中精度最高的探测技术，它有着广泛的应用。举个例子，我们要对在月球附近飞行的卫星进行空中加油和货物补给，那么就需要进行卫星的交会对接，简单地说就是两颗卫星需要在月球附近手牵手亲密接触同伴而行。在这么远的距离要实现交会对接就需要先精确测量两卫星所在的位置，再经过调整让两卫星慢慢靠近，最后合二为一。在远距离范围内定位精度不高时，很可能会发生两个卫星撞击破坏而导致任务失败。如果有了高精度的激光测距技术，就能够在特定的时间内辅助以让其顺利实现交会对接，保证航天任务顺利进行。
我们也知道，最近特朗普签署了重返月球计划。我国计划在2020年左右实现载人登月，计划把人送到月球完成相关研究。要把宇航员成功送入到指定的安全位置，就需要高精度的测量来确定其是否达到指定的安全位置，而在未来利用激光测月技术就可以通过飞船携带一个角反射器来精确确定入轨点位置和降落点位置，保证科学任务的顺利实施和宇航员的安全着落及返回。
激光测距还是目前确定地心，也就是测量地球的质量中心位置唯一的测量方式。通过测量地心可以建立大地的参考框架，通过以地心为我们周围事物的坐标原点来研究和描述我们周围地球上的空间位置，从而解惑人类思索的古老问题——“我是谁”“来自何方”“身处何地”“该往哪去”。
梦里寻她千百度，
蓦然回首，你在灯火阑珊处。
中国科学院云南天文台首次实现国内激光测月，是继美国McDonald天文台站、ApachePoint天文台站、法国Grasse天文台站和意大利Matera之后少数几个成功实现激光测月的天文台站，中国成为继美国、法国、意大利之后少数几个成功实现激光测月的国家。我国的天文事业向着更高的方向迈出重要一步，在天文、空间科学和国防事业上有了更进一步发展。
峨眉月落(天文协会会长张磊摄)
此次激光测月的成功，离不开国家对科学技术的大力支持，离不开中国科学院国家天文台、上海天文台、长春人卫站、光电院、长光所、光电所等兄弟单位及中山大学天琴中心的支持，我们将不忘初心，继续前行，把我国天文和空间科学事业做得更好、更准、更强，为我国实现伟大复兴中国梦而努力奋斗。
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文/图：高清鹏
(作者系中国科学院大学2016级研究生
培养单位：中国科学院云南天文台
中国科学院大学记者团成员)
美编：王聪
责任编辑：王恩
不惧困难，砥砺前行
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