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深度解读

测得最准地月距离,激光测距台站立功

星之球科技 来源:科技万花筒写轮眼2020-05-27 我要评论(0 )   

日前,位于中山大学珠海校区凤凰山顶的“天琴计划”激光测距台站成功测得了月球表面上五组反射镜的回波信号,测出国内最准的地月距离,且精度达到国际先进水平,这意味...

日前,位于中山大学珠海校区凤凰山顶的“天琴计划”激光测距台站成功测得了月球表面上五组反射镜的回波信号,测出国内最准的地月距离,且精度达到国际先进水平,这意味着中国科学家攻克了地月激光测距技术,至此,中国成为世界上第三个成功测得全部五个反射镜的国家。此前,“天琴计划”激光测距台站通过与中国科学院云南天文台合作,升级昆明的卫星激光测距系统,于2018年1月22日首次测出地月距离。这是中国人首次成功利用激光精确地测量地球距月球的距离,也使我国成为世界上第五个实现地月激光精确测量的国家。


“天琴计划”激光测距台站是由一个口径为1.2米的反射式望远镜、一个工作温度在零下200多摄氏度的多通道超导单光子探测器、一个高重频短脉冲固体激光器、一个激光测距精密光学系统等核心部件,组成了可以测出地月距离的科技利器。


据天琴中心副主任、该项技术负责人叶贤基教授介绍,地月距离在38万公里左右,地月激光测距基本原理就是从地面测距台站的望远镜上,将高度同向性脉冲激光束射向放置在月球表面的反射镜,反射镜发射该激光信号再通过地面台站的望远镜接收,通过发送、接收时间差计算出地月之间的距离,地月激光测距是目前人类历史上最远距离的激光测距实验,也是目前地月距离测量精度最高的技术手段。天琴中心工程师韩西达介绍,地月激光测距技术将为未来发射的天琴卫星提供厘米级精度的精确定位,使天琴卫星能够精准进入指定轨道,这也是基于地球轨道的“天琴计划”进行空间引力波探测的优势之一。


激光测月历程:


自1969年7月21日,美国宇航局阿波罗11号登月飞船第一次实现载人登月,宇航员阿姆斯特朗成功在月球上放置了第一个激光反射器以来,成功登月仅数日后,美国人即测到了来自该反射器的激光测距回波信号。此后,人类又通过阿波罗14号、阿波罗15号、月球17号、月球21号四个成功登月的飞船陆续在月球正面放置了四个激光反射器。置于月球表面面积最大的反射镜阵列来自阿波罗15号,面积约0.3平方米,阵列中密密麻麻排列着近140个角反射镜,对于距此38万千米之外的地球上的观测台站来说,这个反射面积如针孔般渺小。透过地球大气层的包围,光子们前赴后继的从地球奔向月球,克服地球大气层散射途中,月面极低的反射率等阻碍,千辛万苦到达月面反射镜后,数以亿计的光子兄弟此时已损耗大半。回程时除了遇到之前的同样的困苦,要想准确进入直径只有1米的镜筒中,还需克服大气扰流袭扰,原子钟一丝不苟的计时为光子回家打开了大门,而这一切都发生在短短的2.5秒之中。而完成10次这样地月之旅后,能安然无恙回家的光子最多只有1个。50年不间断测量实验后,人类仅得到1.8万个有效光子数据。


之后几十年里,陆续有法国、意大利、德国等的多家测站进行过激光测月相关研究。但由于各种原因,能够成功的只有极少数测站。近几年,能够进行常规激光测月的只有法国格拉斯测站、意大利马泰拉测站以及美国阿波罗测站。


2014年3月中国科学院院士罗俊于在华中科技大学的一次国际会议上提出、以中国为主导的国际空间引力波探测计划的“天琴计划”。中国科学院院士、“天琴计划”首席科学家罗俊表示:地月激光测距技术是天琴计划“沿途下蛋”的成果之一。它除了是天琴计划的关键技术之外,其本身对月球基础科学研究、我国太空安全、空间碎片和深空目标探测、太空科学实验等多领域具有重大应用价值。“比如,长期的地月距离观测资料对于地月系统动力学、月球物理等基础研究具有重要的价值。太空安全方面,地月激光测距枝术可以‘毫厘不差’地锁定空间碎片和深空目标,大幅提升空间安全。又比如,空间科学方面,地月/星激光测距技术有助于打造‘太空实验室’,推进我国空间科学发展。”


2018年1月22日晚,中国科学院云南天文台应用天文研究团组的研究人员成功接收到了月球激光测距的回波信号,这是中国人首次成功利用激光精确地测量地球距月球的距离。


2019年6月“天琴计划”科研团队首次测得地月距离,在随后的几个月里,团队测到了月面上所有的五面反射镜的回波信号,地月激光测距的技术稳定性和成熟性进一步得到确认。


2019年12月20日,长征四号乙运载火箭在太原发射中心成功发射,该火箭同时运载了9颗卫星,其中“天琴一号”技术试验卫星最引人关注。据悉,“天琴一号”是“天琴”引力波探测计划的首颗技术验证卫星,此次成功升空意味着我国正式开启了空间引力波探测技术探索计划。根据规划,“天琴计划”将在地球轨道上一共部署3颗卫星,以组成一个臂长达十几万公里的等边三角形编队,成为一个空间引力波探测“天文台”,所获观测数据将主要用于开展引力波、宇宙学、天文学等方面的基础科学研究,并有望向全球科学家开放。

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制造业激光测距天琴计划
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