那天晚上的月亮又圓又大。 人們感覺月亮離我們更近了。 那么，月球離我們有多遠？

圖1 嫦娥奔月

月球與地球的平均距離約為38萬公里。 由于月球以橢圓軌道繞地球運行，因此地球和月球之間的距離每天都不同。 這也是滿月。 當月球距離地球最近時，月球的視直徑較大，視面積也較大。 準確測量地球和月球之間的距離對于我們研究月球是非常必要的。

月地距離探測的歷史

在現代月球激光測距技術誕生之前，我們的前輩想要精確測量這個值并不容易。

測量地球和月球之間距離的常用方法有：

幾何三角學

最早記錄的地球與月球之間距離的測量是由古希臘天文學家在公元前四世紀進行的。 通過觀察月食的幾何位置并結合三角學，他們計算出地球和月球之間的距離約為地球半徑的59-67倍。

視差法

20世紀初，法國人通過觀察月球經過南北半球子午線時的高度角來測量地球與月球之間的距離。 觀測結果偏差約30公里。

圖2 視差法原理圖

掩星

1952年，美國人用這種方法測定了地球與月球的距離：0.6±4.7km。

雷達測距

1958年，美國皇家雷達研究所進行了測試月球引力常數，最終測量距離為：±1.2km。

激光測距登臺！

月球激光測距（LLR）是目前測量地球和月球之間距離最準確的手段。 它的原理非常簡單。 即地面站向目標發射激光脈沖，測量激光脈沖的往返飛行時間，并將其與光速結合起來計算地面站與目標之間的距離。

1962年，美國和蘇聯開始分別進行激光測月實驗。 然而，當時他們只能測量來自月球表面的漫反射回波，測量精度非常有限。

1969年7月21日，美國阿波羅11號成功登陸月球。 人類第一次踏上月球表面。 宇航員帶來了激光后向反射器陣列（圖3）并將其放置在月球上。 在月球表面的預定位置，這是一個46厘米見方的激光角反射器，配備了100塊熔融石英材料。 這種激光角反射器實際上是一種光學四面棱鏡，具有保持激光的入射方向和反射方向平行的特點，可以保證激光測距時光信號沿著原來的發射方向返回。

圖3 反射器陣列

此后，美國利用阿波羅登月任務，在月球不同位置放置角反射器陣列和角反射器。 前蘇聯曾使用月球車和月球車在月球上放置角反射器陣列。 月球表面共有5個角反射器陣列。 用于激光月球勘測的角反射器陣列（圖 4）。 正是隨著這些月球角反射器陣列的出現，月球激光測距LLR（月球激光）從此成為測量地球和月球之間距離的最精確手段。

圖4 月球反射面分布

LLR的觀測數據對天文學和地球動力學、地月科學、月球物理和重力理論等多項科學研究具有重要價值，如確定月球的形狀、大小、表面特征和內部結構，確定月球的形狀、大小、表面特征和內部結構等。引力理論和廣義相對論的影響。 檢查、驗證等效原理、引力常數的變化以及日月系統的潮汐等。隨著LLR數據的精度越來越高（目前為亞厘米級），科學研究的精度成果也在不斷完善，LLR數據可用于研究的科學領域也在不斷擴大。

激光測定月球與地球之間的距離有何難點？

由于月球與地球之間的距離極遠，因此出現了許多技術挑戰。

確定月球和地球之間的距離的主要困難在于回波光子的數量極少，因為回波光子的數量與距離的四次方成反比。 望遠鏡精確指向、微弱信號探測等問題也是技術難點。 因此，只有少數站能夠成功實施激光月球測量。

1969年8月1日，美國利克天文臺用3米望遠鏡成功觀測到反射鏡發出的激光測距回波信號。 8月22日，美國站2.7米望遠鏡接收到回波信號。 此后，該站不斷發展和完善，成為世界上最重要的激光月球測量站之一。 此后幾十年，法國、意大利、德國、澳大利亞、俄羅斯、日本、南非等多個站相繼開展了激光測月相關研究（圖5）。 近年來，傳統的激光月球測量已經能夠進行。 只有美國（月球點激光）站、法國站和意大利站。

圖5 開展激光探月研究的站點

一個完整的LLR地面站主要包括望遠鏡系統、光路系統、光子探測系統和其他輔助系統。 因此，這是一項涉及多個學科的復雜而精密的技術。

目前具備常規激光探月能力的三個LLR站的共同點是，它們都采用通用光路系統，即激光發射和接收采用同一個光路系統。

美國

美國該站是最新建成的LLR站，采用了許多先進技術和設備。 其主要特點是采用大口徑（3.5米）望遠鏡和16單元單光子探測器陣列，并采用重復率為20 Hz窄脈寬（200皮秒）可見光波段（ 532 nm）激光。 設備和技術的優勢使其成為目前測量精度最高的LLR站。

法國

法國觀測站的望遠鏡直徑為1.54米。 其系統的主要特點是：采用大氣透過率較高的紅外波段（1064納米）激光器進行距離測量。 與相同能量的532納米波段激光相比，激光的光子數更多。

意大利

意大利站使用口徑為1.5米的望遠鏡和脈沖寬度為50皮秒、能量為100毫焦耳、重復率為10赫茲的激光。 該站于本世紀初開始研究LLR技術，并于2014年開始定期進行激光測量。

1972~2017 中國一直在努力

我國衛星激光測距工作始于1972年，經歷了從第一代到第三代的發展過程。

目前，我國衛星激光測距網由上海、武漢、北京、長春、昆明等觀測站組成。 它們都屬于最新一代衛星激光測距系統。 還有正在運行的流動站。 這些系統都是我國科技工作者自己研制成功的。

同時還成立了衛星激光測距協調小組，協調國內觀測網的工作。 現有衛星激光測距單次測距精度優于15毫米（針對Lares、Lares等專用激光測距衛星），實現千赫茲高重復頻率測距、白天激光測距和漫反射測距。 地球靜止衛星可以測量到合作目標的距離，徑向距離可達40,000公里。

國內上海天文臺多年來基于衛星激光測距技術開展月球激光測距工作； 近年來，長春衛星站也一直在開展月球激光測距相關研究工作； 紫金山天文臺還開展了月球激光測距空間實驗的初步研究； 云南天文臺多年來致力于月球激光測距相關研究，取得了多項理論研究和技術突破。

但對于月球激光反射鏡和深空衛星來說，由于探測距離極遠英語作文，回波光子數量極少，國內尚無月球激光測距成功的先例。

超級加享受！ 我們還可以測量地球和月球之間的距離！

2018年1月22日，云南天文臺1.2米望遠鏡測距系統首次成功探測到月球反射鏡激光回波！

測量時間為2018年1月22日13:05:22（UTC）。 測量站與測量站之間的距離為0.5米，測量結果偏差在1米以內。

上世紀末，由老一輩科研人員領銜的云南天文臺應用天文研究團隊在國內率先開展月球激光測距理論和技術方法研究。 依托云南天文臺1.2米望遠鏡系統，團隊對月球激光測距進行了詳細的理論分析和計算，并于本世紀初逐步建成了測試平臺，為月球激光測距的實現奠定了堅實的基礎。 。

圖6 高功率激光器

表1 激光器參數

2015年底至2017年初，應用天文研究團隊對1.2米望遠鏡進行了全面升級：望遠鏡主鏡和光學部件重新鍍膜、望遠鏡控制系統升級等在此期間，團隊攜手合作，多次組織研討會，學習月球激光測距各部分的理論知識，學習國外成功經驗。

團隊在收發鏡研制與控制、望遠鏡精確跟蹤指向模型、月面特征識別、極微弱信號識別等多項關鍵技術上取得突破。2017年5月至10月，團隊完成了高功率激光器的維護和調試（圖6、表1）、月球測量測試光路平臺的搭建（圖7），并完成了測距軟件的更新和升級。

圖7 LLR測試光路

測試平臺軟硬件準備就緒后，團隊于2017年11月開展了多次地面目標測距實驗、低軌道衛星測距實驗、中高軌道衛星測距實驗、靜止衛星測距實驗。對目標測距信號回波進行數據處理和分析，驗證系統的有效性，進一步明確測試平臺的特點，為下一步測試積累經驗。

該團隊于2017年11月中旬開始正式進行月球激光測距測試，測試過程中不斷探索，總結經驗，解決測試過程中遇到的實際問題。

2018年1月5日晚，測試過程中，從反射板獲得少量疑似信號； 2018年1月22日晚，測試過程中，成功獲得3組來自反射體的清晰回波信號。 圖8中紅框中的信號是點信號。 第3組、第1組和第1組數據于1月23日測量； 第1組于1月24日測量； 1月26日測量第2組、第2組和第1組，此后多次測量明確的回波信號。 ！

圖8 激光測距圖

通過對測量數據的處理和分析，測量結果的偏差在一米以內。 雖然這一成果仍落后于國外先進測量站，但實現了我國探月激光從無到有的突破。 接下來，云南天文臺應用天文團隊將不斷進取，力爭盡快提高測量精度。

月球激光測距的成功將推動我國地月科學領域的科學研究月球引力常數，加深我們對月球的認識。 由于測量精度高，月球激光測距技術將能夠為我國引力波探測計劃提供技術驗證和支撐。 隨著我國科技的發展和進步，月球激光測距技術將有機會為未來的深空探測衛星保駕護航。

最重要的是，高精度地月距離測量可以為我國嫦娥探月工程做出貢獻，讓中國嫦娥奔月從神話變成現實。

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