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来场说走就走的月球旅行?别开玩笑了你知道有多远吗

还记得不久前的那轮超级蓝色红月亮吗?

那天晚上的月亮又圆又大,人们都感觉月亮离我们近了许多,那么,月亮究竟离我们有多远?

图1 嫦娥奔月

月亮与地球之间的平均距离大约是38万千米,由于月球环绕地球运行是一个椭圆形的轨道,每天地月之间的距离都不一样。同样是满月,月球距离地球最近时,月亮的视直径更大,视面积更大。精确测定地月距离对我们研究月球是非常必要的。

月地距离探测史

在现代月球激光测距技术诞生前,我们的前辈想精准测到这个数值可不容易。

常用的测量地月距离的方法有:

几何三角法

最早有记录的测量地月距离是公元前四世纪时古希腊的天文学家,通过观测月蚀的几何位置,结合三角法计算出地月距离大约是59—67倍地球半径。

视差法

二十世纪初,法国人曾分别在南北半球观测月面通过子午线时的高度角测量地月距离,观测结果偏差约为30千米。

图2 视差法原理图

掩星法

1952年,美国人使用该法测定地月距离为:384407.6±4.7km。

雷达测距

1958年,美国皇家雷达研究所进行试验,最终测得距离为:384402±1.2km。

激光测距登上舞台!

月球激光测距LLR(Lunar Laser Ranging)作为目前最精确的地月距离测量手段,其原理十分简单,即由地面测站向目标发射激光脉冲,测量激光脉冲的往返飞行时间,结合光速,从而计算出地面测站与目标之间的距离

1962年,美国和苏联分别开始进行激光测月试验,但当时只能测量月面漫反射回波,测量精度十分很有限。

1969年7月21日美国阿波罗11号登月成功,人类第一次踏上了月球的表面,登月宇航员带了一个激光后向反射器阵列(Apollo11,图3),并将其放置在月面预定位置上,这是46厘米见方, 装有100个熔石英材料的激光角反射器。这种激光角反射器实际上是一个光学的四面体棱镜, 具有对激光的入射方向与反射方向保持平行的特性,能保证在激光测距中光信号沿原发射方向返回。

图3 Apollo11反射器阵列

此后,美国利用阿波罗登月任务相继在月面不同位置放置了Apollo14、Apollo15角反射器阵列,前苏联先后利用月球车Luna17号与Luna21号在月面安置了Lunakhod17和Lunakhod21反射器阵列,月面上共有5个可供进行激光测月的角反射器阵列(如图4)。正是这些月面角反射器阵列的出现,月球激光测距LLR(Lunar Laser Ranging)从此成为了最精准的地月距离测量手段。

图4 月面反射器分布

LLR的观测资料对天文地球动力学、地月科学、月球物理学和引力理论等诸多科学研究有着重要的价值,如测定月球的形状、大小以及表面特征和内部结构,引力理论和广义相对论效应的检验,等效原理的验证,万有引力常数的变化以及日月系统潮汐等。随着LLR资料的精度越来越高(目前为亚厘米级),科学研究结果的准确性也在不断提高,LLR资料可用于研究的科学领域也在不断扩大。

激光测定月地距离 难在哪里?

由于月亮与地球之间距离极远,诸多技术上的挑战随之而来。

测定月地距离的困难主要是回波光子数极少,因为回波光子数跟距离的四次方成反比。诸如望远镜的精确指向,弱信号探测等也是技术难点。因此,能够成功实现激光测月的只有极少数测站。

1969年8月1日,美国Lick天文台用3米口径的望远镜成功地观测到来自Apollo11反射器的激光测距回波信号,8月22日美国McDonald站2.7米望远镜收到回波信号。此后,McDonald站一直发展完善,成为了全球最重要的激光测月站之一。之后的几十年里,陆续有法国、意大利、德国、澳大利亚、俄罗斯、日本、南非等多家测站进行过激光测月相关研究(如图5),近几年,能够进行常规激光测月的只有美国APOLLO(Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation)测站、法国Grasse测站以及意大利Matera测站。

图5 开展激光测月研究的测站

一座完整的LLR的地面站主要包括望远镜系统、光路系统、光子探测系统以及其他辅助系统。因此,这是一项涉及多学科领域的复杂的精密技术。

目前能够进行常规激光测月的三个LLR测站共同之处是都采用共光路系统,即用同样的一套光路系统进行激光的发射与接收。

1

美国

美国的APOLLO测站是最新建的一个LLR测站,采用了许多先进的技术和设备,其主要特点是使用大口径(3.5米)的望远镜和16单元的单光子探测器阵列,并采用了重复频率为20赫兹的窄脉宽(200皮秒)可见波段(532纳米)激光器,设备与技术的优势使得APOLLO是目前测量精度最高的LLR测站。

2

法国

法国Grasse测站的望远镜口径为1.54米,其系统主要特点是:采用了大气透过率更高的红外波段(1064纳米)激光进行测距,相比于同能量的532纳米波段激光,提高了激光的光子数。

3

意大利

意大利的Matera站使用口径为1.5米的望远镜,使用脉宽为50皮秒、能量100毫焦、重复频率10赫兹的激光器,该站从本世纪初开始研究LLR技术,直达2014年开始进行常规激光测月。

1972~2017 中国一直在努力

我国的卫星激光测距工作始于1972年,至今已经历了从第一代到第三代的发展过程。

目前,我国的人卫激光测距网由上海、武汉、北京、长春、昆明等观测站组成,都属于最新一代人卫激光测距系统,另有流动站正在运行,这些系统都是由我国科技工作者自行开发成功的。

同时也成立了卫星激光测距协调组,以协调国内观测网的工作。现有的卫星激光测距单次测距精度优于15毫米(对于lageos、lares等专用激光测距卫星来说),实现了千赫兹高重频测距、白天激光测距和漫反射测距,对合作目标测距最远达到径向4万公里的同步轨道卫星。

国内的上海天文台多年来一直在尝试卫星激光测距技术的基础上,开展月球激光测距工作;近年,长春人卫站也在进行月球激光测距相关的研究工作;紫金山天文台也曾开展了月球激光测距空间试验的预研究;云南天文台多年致力于月球激光测距的相关研究,做了多项理论研究以及技术突破。

但对于月球激光反射器和深空卫星,由于探测距离极远,回波光子数非常少,国内此前一直没有成功进行月球激光测距的先例。

喜大普奔!我们也能测定地月距离了!

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面反射器Apollo15的激光回波!

测定在2018/1/22日13:05:22(UTC),测站与Apollo15之间的距离为385199028.5米,测量结果的偏差在1米之内。

上世纪末,云南天文台应用天文研究团组在老一辈科研人员的带领下,率先在国内开展月球激光测距理论和技术方法的研究。团组依托云南天文台1.2米望远镜系统,对月球激光测距进行了详尽的理论分析与计算,并在本世纪初逐渐构建了试验平台,为实现月球激光测距打下了坚实的基础。

表1 激光器参数

2015年末至2017年初,应用天文研究团组对1.2米望远镜进行了全面升级:望远镜主镜和光学元件重新镀膜,望远镜控制系统升级等。在此期间,团组齐头并进,多次组织研讨会,研究学习月球激光测距各部分理论知识,学习国外成功经验。

团组前后分别突破了多项关键技术如:收发转镜的研制与控制、望远镜的精确跟踪指向模型、月面特征识别、极微弱信号识别等。2017年5月至10月,团组完成了大功率激光器的检修调试(图6、表1)、测月试验光路平台(如图7)的搭建,完成了测距软件的更新与升级。

图7 LLR试验光路

试验平台软硬件准备好之后,团组在2017年11月先后多次进行了地面靶测距实验、低轨卫星测距试验、中高轨卫星测距试验、同步卫星测距试验,在成功获得各个目标的激光测距信号回波的基础上,处理并分析了数据,验证了系统的有效性,进一步摸清了试验平台的特性,为下一步试验积累了经验。

团组于2017年11月中旬开始正式进行月球激光测距试验,在试验中不断摸索、总结经验,并解决了试验中遇到的实际问题。

2018年1月5日晚,试验中,获得了少量Apollo15反射器疑似信号;2018年1月22日晚,试验中,成功得获得3组来自Apollo15的明确回波信号,图8中红色框中为信号点。1月23日测得3组Apollo15、1组Apollo14和1组Apollo11数据;1月24日测得1组Apollo14;1月26日测得2组Apollo15、2组Apollo14、1组Apollo11,此后多次测到确定的回波信号!

图8 Apollo15激光测距图

通过对测量数据进行处理分析,测量结果的偏差在一米之内。虽然这个结果与国外先进测站比起来还有差距,但实现了中国月球激光测距从无到有的突破。接下来云南天文台应用天文团组将不断进取,争取尽快提高测量精度。

月球激光测距的成功将促进我国在地月科学等领域的科学研究,加深我国对月球的认识。月球激光测距技术由于其测量精度高的特点,将能够为我国引力波探测计划提供技术验证与支持。随着中国的科技发展与进步,月球激光测距技术将有机会给未来的深空探测卫星保驾护航。

最重要的是,高精度的地月距离测量,可以为我国的嫦娥探月工程做出献,将中国人的嫦娥奔月由神话变为现实。

 
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