來一場說走就走的月球旅行？別開玩笑了，你知道有多遠嗎？

知識 02-08

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還記得不久前的那輪超級藍色紅月亮嗎？

那天晚上的月亮又圓又大，人們都感覺月亮離我們近了許多，那麼，月亮究竟離我們有多遠？

圖1 嫦娥奔月

月亮與地球之間的平均距離大約是38萬千米，由於月球環繞地球運行是一個橢圓形的軌道，每天地月之間的距離都不一樣。同樣是滿月，月球距離地球最近時，月亮的視直徑更大，視面積更大。精確測定地月距離對我們研究月球是非常必要的。

月地距離探測史

在現代月球激光測距技術誕生前，我們的前輩想精準測到這個數值可不容易。

常用的測量地月距離的方法有：

幾何三角法

最早有記錄的測量地月距離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。

視差法

二十世紀初，法國人曾分別在南北半球觀測月面通過子午線時的高度角測量地月距離，觀測結果偏差約為30千米。

圖2 視差法原理圖

掩星法

1952年，美國人使用該法測定地月距離為：384407.6±4.7km。

雷達測距

1958年，美國皇家雷達研究所進行試驗，最終測得距離為：384402±1.2km。

激光測距登上舞台！

月球激光測距LLR(Lunar Laser Ranging)作為目前最精確的地月距離測量手段，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。

1962年，美國和蘇聯分別開始進行激光測月試驗，但當時只能測量月面漫反射回波，測量精度十分很有限。

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3），並將其放置在月面預定位置上，這是46厘米見方, 裝有100個熔石英材料的激光角反射器。這種激光角反射器實際上是一個光學的四面體稜鏡, 具有對激光的入射方向與反射方向保持平行的特性,能保證在激光測距中光信號沿原發射方向返回。

圖3 Apollo11反射器陣列

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4）。正是這些月面角反射器陣列的出現，月球激光測距LLR(Lunar Laser Ranging)從此成為了最精準的地月距離測量手段。

圖4 月面反射器分布

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。

激光測定月地距離難在哪裡？

由於月亮與地球之間距離極遠，諸多技術上的挑戰隨之而來。

測定月地距離的困難主要是回波光子數極少，因為回波光子數跟距離的四次方成反比。諸如望遠鏡的精確指向，弱信號探測等也是技術難點。因此，能夠成功實現激光測月的只有極少數測站。

1969年8月1日，美國Lick天文台用3米口徑的望遠鏡成功地觀測到來自Apollo11反射器的激光測距回波信號，8月22日美國McDonald站2.7米望遠鏡收到回波信號。此後，McDonald站一直發展完善，成為了全球最重要的激光測月站之一。之後的幾十年里，陸續有法國、義大利、德國、澳大利亞、俄羅斯、日本、南非等多家測站進行過激光測月相關研究（如圖5），近幾年，能夠進行常規激光測月的只有美國APOLLO（Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation）測站、法國Grasse測站以及義大利Matera測站。

圖5 開展激光測月研究的測站

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。因此，這是一項涉及多學科領域的複雜的精密技術。

目前能夠進行常規激光測月的三個LLR測站共同之處是都採用共光路系統，即用同樣的一套光路系統進行激光的發射與接收。

美國

美國的APOLLO測站是最新建的一個LLR測站，採用了許多先進的技術和設備，其主要特點是使用大口徑（3.5米）的望遠鏡和16單元的單光子探測器陣列，並採用了重複頻率為20赫茲的窄脈寬（200皮秒）可見波段（532納米）激光器，設備與技術的優勢使得APOLLO是目前測量精度最高的LLR測站。

法國

法國Grasse測站的望遠鏡口徑為1.54米，其系統主要特點是：採用了大氣透過率更高的紅外波段（1064納米）激光進行測距，相比於同能量的532納米波段激光，提高了激光的光子數。

義大利

義大利的Matera站使用口徑為1.5米的望遠鏡，使用脈寬為50皮秒、能量100毫焦、重複頻率10赫茲的激光器，該站從本世紀初開始研究LLR技術，直達2014年開始進行常規激光測月。

1972~2017 中國一直在努力

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。

目前，我國的人衛激光測距網由上海、武漢、北京、長春、昆明等觀測站組成，都屬於最新一代人衛激光測距系統，另有流動站正在運行，這些系統都是由我國科技工作者自行開發成功的。

同時也成立了衛星激光測距協調組，以協調國內觀測網的工作。現有的衛星激光測距單次測距精度優於15毫米（對於lageos、lares等專用激光測距衛星來說），實現了千赫茲高重頻測距、白天激光測距和漫反射測距，對合作目標測距最遠達到徑向4萬公里的同步軌道衛星。

國內的上海天文台多年來一直在嘗試衛星激光測距技術的基礎上，開展月球激光測距工作；近年，長春人衛站也在進行月球激光測距相關的研究工作；紫金山天文台也曾開展了月球激光測距空間試驗的預研究；雲南天文台多年致力於月球激光測距的相關研究，做了多項理論研究以及技術突破。

但對於月球激光反射器和深空衛星，由於探測距離極遠，回波光子數非常少，國內此前一直沒有成功進行月球激光測距的先例。

喜大普奔！我們也能測定地月距離了！

2018年1月22日，雲南天文台1.2米望遠鏡測距系統首次成功探測到月面反射器Apollo15的激光回波！

測定在2018/1/22日13:05:22(UTC)，測站與Apollo15之間的距離為385199028.5米，測量結果的偏差在1米之內。

上世紀末，雲南天文台應用天文研究團組在老一輩科研人員的帶領下，率先在國內開展月球激光測距理論和技術方法的研究。團組依託雲南天文台1.2米望遠鏡系統，對月球激光測距進行了詳盡的理論分析與計算，並在本世紀初逐漸構建了試驗平台，為實現月球激光測距打下了堅實的基礎。

圖6 大功率激光器

表1 激光器參數

2015年末至2017年初，應用天文研究團組對1.2米望遠鏡進行了全面升級：望遠鏡主鏡和光學元件重新鍍膜，望遠鏡控制系統升級等。在此期間，團組齊頭並進，多次組織研討會，研究學習月球激光測距各部分理論知識，學習國外成功經驗。

團組前後分別突破了多項關鍵技術如：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。2017年5月至10月，團組完成了大功率激光器的檢修調試（圖6、表1）、測月試驗光路平台（如圖7）的搭建，完成了測距軟體的更新與升級。

圖7 LLR試驗光路

試驗平台軟硬體準備好之後，團組在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，在成功獲得各個目標的激光測距信號回波的基礎上，處理並分析了數據，驗證了系統的有效性，進一步摸清了試驗平台的特性，為下一步試驗積累了經驗。

團組於2017年11月中旬開始正式進行月球激光測距試驗，在試驗中不斷摸索、總結經驗，並解決了試驗中遇到的實際問題。

2018年1月5日晚，試驗中，獲得了少量Apollo15反射器疑似信號；2018年1月22日晚，試驗中，成功得獲得3組來自Apollo15的明確回波信號，圖8中紅色框中為信號點。1月23日測得3組Apollo15、1組Apollo14和1組Apollo11數據；1月24日測得1組Apollo14；1月26日測得2組Apollo15、2組Apollo14、1組Apollo11，此後多次測到確定的回波信號！