經(jīng)過(guò)近半年的努力，中山大學(xué)“天琴計(jì)劃”團(tuán)隊(duì)已經(jīng)多次成功實(shí)現(xiàn)了地月距離的激光測(cè)量，并在國(guó)內(nèi)首次得到月球表面全部五個(gè)激光后向反射器陣列（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“激光反射器”）的回波信號(hào)。


那么引起廣泛關(guān)注的地月激光測(cè)距與“天琴計(jì)劃”之間有何聯(lián)系？地月激光測(cè)距的原理和歷史如何？

天琴的“0顆星”

自然界中，相互繞轉(zhuǎn)的緊湊雙星系統(tǒng)、大質(zhì)量天體的碰撞合并、超新星爆發(fā)等極端事件都能產(chǎn)生較強(qiáng)的引力波。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。但是由于產(chǎn)生引力波的條件極其苛刻，人工手段很難產(chǎn)生能夠被探測(cè)到的引力波。直到1974年，普林斯頓大學(xué)的赫爾斯和泰勒首次在雙星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)一顆變星，他們借此觀察到這個(gè)雙星系統(tǒng)的演化與廣義相對(duì)論預(yù)言的通過(guò)引力波輻射造成軌道周期變化的結(jié)果一致，從而間接證明了引力波的存在。

“天琴計(jì)劃”采用三顆衛(wèi)星（如圖所示SC1，SC2，SC3）構(gòu)成一個(gè)等邊三角形陣列，每顆衛(wèi)星內(nèi)部包含一個(gè)或兩個(gè)懸浮檢驗(yàn)質(zhì)量。衛(wèi)星上將安裝可變推力的微牛級(jí)推進(jìn)器，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)衛(wèi)星姿態(tài)，使得檢驗(yàn)質(zhì)量始終保持與周?chē)谋Ｗo(hù)容器互不接觸的狀態(tài)。衛(wèi)星外殼保護(hù)局下，檢驗(yàn)質(zhì)量將只在引力的作用下運(yùn)動(dòng)，且不受來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)或太陽(yáng)光壓等細(xì)微的非引力干擾。高精度的激光干涉測(cè)距技術(shù)將被用來(lái)記錄由引力波引起的、不同衛(wèi)星上檢驗(yàn)質(zhì)量之間的細(xì)微距離變化，從而獲得有關(guān)引力波的信息。


天琴計(jì)劃將首先發(fā)展月球和深空衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)，幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)天琴衛(wèi)星毫米級(jí)的定軌精度，即實(shí)施“天琴計(jì)劃”0顆星步驟。通過(guò)位于中山大學(xué)珠海校區(qū)的激光測(cè)距臺(tái)站，實(shí)現(xiàn)對(duì)部署在月球上全部五個(gè)激光反射器地月距離測(cè)量正是“天琴計(jì)劃”初始階段最重要的一步。相比后續(xù)將要開(kāi)展的有衛(wèi)星參與的衛(wèi)星空間激光測(cè)距，地基激光測(cè)距要容易許多。

地月間激光測(cè)距

看著容易做著難

自1969年7月21日，美國(guó)宇航局阿波羅11號(hào)登月飛船第一次實(shí)現(xiàn)載人登月，宇航員阿姆斯特朗成功在月球上放置了第一個(gè)激光反射器以來(lái)，人類(lèi)又通過(guò)阿波羅14號(hào)、阿波羅15號(hào)、月球17號(hào)、月球21號(hào)四個(gè)成功登月的飛船陸續(xù)在月球正面放置了四個(gè)激光反射器。除去實(shí)施登月計(jì)劃耗費(fèi)的人力物力，這些月球上的人造科學(xué)儀器要發(fā)揮功效，人類(lèi)要付出更多努力。




激光測(cè)距的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單——通過(guò)測(cè)量激光從發(fā)射到月面再反射到達(dá)地球的時(shí)間，乘以光速再除以二，就是地月距離。盡管原理看似簡(jiǎn)單，但這項(xiàng)技術(shù)只有少數(shù)國(guó)家才能掌握。

置于月球表面面積最大的反射鏡陣列來(lái)自阿波羅15號(hào)，面積約0.3平方米，陣列中密密麻麻排列著近140個(gè)角反射鏡，對(duì)于距此38萬(wàn)千米之外的地球上的觀測(cè)臺(tái)站來(lái)說(shuō)，這個(gè)反射面積如針孔般渺小。透過(guò)地球大氣層的包圍，光子們前赴后繼的從地球奔向月球，克服地球大氣層散射途中，月面極低的反射率等阻礙，千辛萬(wàn)苦到達(dá)月面反射鏡后，數(shù)以?xún)|計(jì)的光子兄弟此時(shí)已損耗大半?；爻虝r(shí)除了遇到之前的同樣的困苦，要想準(zhǔn)確進(jìn)入直徑只有1米的鏡筒中，還需克服大氣擾流襲擾，原子鐘一絲不茍的計(jì)時(shí)為光子回家打開(kāi)了大門(mén)，而這一切都發(fā)生在短短的2.5秒之中。而完成10次這樣地月之旅后，能安然無(wú)恙回家的光子最多只有1個(gè)。50年不間斷測(cè)量實(shí)驗(yàn)后，人類(lèi)僅得到1.8萬(wàn)個(gè)有效光子數(shù)據(jù)。

沒(méi)有激光器，古人靠啥曉月之遠(yuǎn)近？

在還沒(méi)發(fā)明激光器的古希臘，天文學(xué)家喜帕恰斯為構(gòu)造幾何學(xué)中相似三角形，分別選擇了經(jīng)度接近而緯度不同的尼西亞城和亞歷山大城作為觀測(cè)日食的地點(diǎn)。相比于前者觀測(cè)到的日全食，后者卻只能看到日偏食，月球遮住了太陽(yáng)的4/5。由此，他推算出了月球的視差。代入當(dāng)時(shí)計(jì)算的不太精確的地球直徑，得到地月距離約41萬(wàn)千米，與今天精密測(cè)量的38.4萬(wàn)千米(平均距離)誤差約8%。

經(jīng)過(guò)千年來(lái)的技術(shù)進(jìn)步和演化，人類(lèi)的智慧已將地月間的測(cè)量誤差從百千米縮小到了厘米級(jí)別。借助激光測(cè)距技術(shù)，現(xiàn)在我們知道月球正以每年3.8cm的速度逃離地球。


從用小木棍在地上畫(huà)幾何圖形，到人類(lèi)利用激光測(cè)距技術(shù)精確測(cè)量地球與月球之間的距離，再到旅行者號(hào)飛船即將成為外太陽(yáng)系星際探測(cè)器，人類(lèi)在短短千年間就將邏輯想象和技術(shù)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合在一起。未來(lái)人類(lèi)將通過(guò)引力波這扇上帝之門(mén)敲開(kāi)或許是另一維度的宇宙空間。