月亮究竟离我们有多远？激光测距LLR（LunarLaser）

那天晚上的月亮又圆又大。 人们感觉月亮离我们更近了。 那么，月球离我们有多远？

图1 嫦娥奔月

月球与地球的平均距离约为38万公里。 由于月球以椭圆轨道绕地球运行，因此地球和月球之间的距离每天都不同。 这也是满月。 当月球距离地球最近时，月球的视直径较大，视面积也较大。 准确测量地球和月球之间的距离对于我们研究月球是非常必要的。

月地距离探测的历史

在现代月球激光测距技术诞生之前，我们的前辈想要精确测量这个值并不容易。

测量地球和月球之间距离的常用方法有：

几何三角学

最早记录的地球与月球之间距离的测量是由古希腊天文学家在公元前四世纪进行的。 通过观察月食的几何位置并结合三角学，他们计算出地球和月球之间的距离约为地球半径的59-67倍。

视差法

20世纪初，法国人通过观察月球经过南北半球子午线时的高度角来测量地球与月球之间的距离。 观测结果偏差约30公里。

图2 视差法原理图

掩星

1952年，美国人用这种方法测定了地球与月球的距离：0.6±4.7km。

雷达测距

1958年，美国皇家雷达研究所进行了测试月球引力常数，最终测量距离为：±1.2km。

激光测距登台！

月球激光测距（LLR）是目前测量地球和月球之间距离最准确的手段。 它的原理非常简单。 即地面站向目标发射激光脉冲，测量激光脉冲的往返飞行时间，并将其与光速结合起来计算地面站与目标之间的距离。

1962年，美国和苏联开始分别进行激光测月实验。 然而，当时他们只能测量来自月球表面的漫反射回波，测量精度非常有限。

1969年7月21日，美国阿波罗11号成功登陆月球。 人类第一次踏上月球表面。 宇航员带来了激光后向反射器阵列（图3）并将其放置在月球上。 在月球表面的预定位置，这是一个46厘米见方的激光角反射器，配备了100块熔融石英材料。 这种激光角反射器实际上是一种光学四面棱镜，具有保持激光的入射方向和反射方向平行的特点，可以保证激光测距时光信号沿着原来的发射方向返回。

图3 反射器阵列

此后，美国利用阿波罗登月任务，在月球不同位置放置角反射器阵列和角反射器。 前苏联曾使用月球车和月球车在月球上放置角反射器阵列。 月球表面共有5个角反射器阵列。 用于激光月球勘测的角反射器阵列（图 4）。 正是随着这些月球角反射器阵列的出现，月球激光测距LLR（月球激光）从此成为测量地球和月球之间距离的最精确手段。

图4 月球反射面分布

LLR的观测数据对天文学和地球动力学、地月科学、月球物理和重力理论等多项科学研究具有重要价值，如确定月球的形状、大小、表面特征和内部结构，确定月球的形状、大小、表面特征和内部结构等。引力理论和广义相对论的影响。 检查、验证等效原理、引力常数的变化以及日月系统的潮汐等。随着LLR数据的精度越来越高（目前为亚厘米级），科学研究的精度成果也在不断完善，LLR数据可用于研究的科学领域也在不断扩大。

激光测定月球与地球之间的距离有何难点？

由于月球与地球之间的距离极远，因此出现了许多技术挑战。

确定月球和地球之间的距离的主要困难在于回波光子的数量极少，因为回波光子的数量与距离的四次方成反比。 望远镜精确指向、微弱信号探测等问题也是技术难点。 因此，只有少数站能够成功实施激光月球测量。

1969年8月1日，美国利克天文台用3米望远镜成功观测到反射镜发出的激光测距回波信号。 8月22日，美国站2.7米望远镜接收到回波信号。 此后，该站不断发展和完善，成为世界上最重要的激光月球测量站之一。 此后几十年，法国、意大利、德国、澳大利亚、俄罗斯、日本、南非等多个站相继开展了激光测月相关研究（图5）。 近年来，传统的激光月球测量已经能够进行。 只有美国（月球点激光）站、法国站和意大利站。

图5 开展激光探月研究的站点

一个完整的LLR地面站主要包括望远镜系统、光路系统、光子探测系统和其他辅助系统。 因此，这是一项涉及多个学科的复杂而精密的技术。

目前具备常规激光探月能力的三个LLR站的共同点是，它们都采用通用光路系统，即激光发射和接收采用同一个光路系统。

美国

美国该站是最新建成的LLR站，采用了许多先进技术和设备。 其主要特点是采用大口径（3.5米）望远镜和16单元单光子探测器阵列，并采用重复率为20 Hz窄脉宽（200皮秒）可见光波段（ 532 nm）激光。 设备和技术的优势使其成为目前测量精度最高的LLR站。

法国

法国观测站的望远镜直径为1.54米。 其系统的主要特点是：采用大气透过率较高的红外波段（1064纳米）激光器进行距离测量。 与相同能量的532纳米波段激光相比，激光的光子数更多。

意大利

意大利站使用口径为1.5米的望远镜和脉冲宽度为50皮秒、能量为100毫焦耳、重复率为10赫兹的激光。 该站于本世纪初开始研究LLR技术，并于2014年开始定期进行激光测量。

1972~2017 中国一直在努力

我国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，我国卫星激光测距网由上海、武汉、北京、长春、昆明等观测站组成。 它们都属于最新一代卫星激光测距系统。 还有正在运行的流动站。 这些系统都是我国科技工作者自己研制成功的。

同时还成立了卫星激光测距协调小组，协调国内观测网的工作。 现有卫星激光测距单次测距精度优于15毫米（针对Lares、Lares等专用激光测距卫星），实现千赫兹高重复频率测距、白天激光测距和漫反射测距。 地球静止卫星可以测量到合作目标的距离，径向距离可达40,000公里。

国内上海天文台多年来基于卫星激光测距技术开展月球激光测距工作； 近年来，长春卫星站也一直在开展月球激光测距相关研究工作； 紫金山天文台还开展了月球激光测距空间实验的初步研究； 云南天文台多年来致力于月球激光测距相关研究，取得了多项理论研究和技术突破。

但对于月球激光反射镜和深空卫星来说，由于探测距离极远英语作文，回波光子数量极少，国内尚无月球激光测距成功的先例。

超级加享受！ 我们还可以测量地球和月球之间的距离！

2018年1月22日，云南天文台1.2米望远镜测距系统首次成功探测到月球反射镜激光回波！

测量时间为2018年1月22日13:05:22（UTC）。 测量站与测量站之间的距离为0.5米，测量结果偏差在1米以内。

上世纪末，由老一辈科研人员领衔的云南天文台应用天文研究团队在国内率先开展月球激光测距理论和技术方法研究。 依托云南天文台1.2米望远镜系统，团队对月球激光测距进行了详细的理论分析和计算，并于本世纪初逐步建成了测试平台，为月球激光测距的实现奠定了坚实的基础。 。

图6 高功率激光器

表1 激光器参数

2015年底至2017年初，应用天文研究团队对1.2米望远镜进行了全面升级：望远镜主镜和光学部件重新镀膜、望远镜控制系统升级等在此期间，团队携手合作，多次组织研讨会，学习月球激光测距各部分的理论知识，学习国外成功经验。

团队在收发镜研制与控制、望远镜精确跟踪指向模型、月面特征识别、极微弱信号识别等多项关键技术上取得突破。2017年5月至10月，团队完成了高功率激光器的维护和调试（图6、表1）、月球测量测试光路平台的搭建（图7），并完成了测距软件的更新和升级。

图7 LLR测试光路

测试平台软硬件准备就绪后，团队于2017年11月开展了多次地面目标测距实验、低轨道卫星测距实验、中高轨道卫星测距实验、静止卫星测距实验。对目标测距信号回波进行数据处理和分析，验证系统的有效性，进一步明确测试平台的特点，为下一步测试积累经验。

该团队于2017年11月中旬开始正式进行月球激光测距测试，测试过程中不断探索，总结经验，解决测试过程中遇到的实际问题。

2018年1月5日晚，测试过程中，从反射板获得少量疑似信号； 2018年1月22日晚，测试过程中，成功获得3组来自反射体的清晰回波信号。 图8中红框中的信号是点信号。 第3组、第1组和第1组数据于1月23日测量； 第1组于1月24日测量； 1月26日测量第2组、第2组和第1组，此后多次测量明确的回波信号。 ！

图8 激光测距图

通过对测量数据的处理和分析，测量结果的偏差在一米以内。 虽然这一成果仍落后于国外先进测量站，但实现了我国探月激光从无到有的突破。 接下来，云南天文台应用天文团队将不断进取，力争尽快提高测量精度。

月球激光测距的成功将推动我国地月科学领域的科学研究月球引力常数，加深我们对月球的认识。 由于测量精度高，月球激光测距技术将能够为我国引力波探测计划提供技术验证和支撑。 随着我国科技的发展和进步，月球激光测距技术将有机会为未来的深空探测卫星保驾护航。

最重要的是，高精度地月距离测量可以为我国嫦娥探月工程做出贡献，让中国嫦娥奔月从神话变成现实。

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