全國人大代表、中國科學(xué)院院士、我國空間引力波探測“天琴計(jì)劃”首席科學(xué)家羅俊今年全國兩會期間接受記者采訪時(shí)介紹，中山大學(xué)“天琴計(jì)劃”激光測距臺站成功測得了月球表面上五組反射鏡的回波信號，測出國內(nèi)最準(zhǔn)的地月距離，且精度達(dá)到國際先進(jìn)水平。這意味著中國科學(xué)家攻克了地月激光測距技術(shù)，至此，中國成為世界上第三個(gè)成功測得全部五個(gè)反射鏡的國家。
2014年3月，“天琴計(jì)劃”是由羅俊院士提出的“天琴”空間引力波探測計(jì)劃，旨在通過引力波探測進(jìn)行天文學(xué)、宇宙學(xué)及基礎(chǔ)物理前沿研究。“天琴計(jì)劃”的基本方案是于2035年前后在約10萬公里高的地球軌道上，部署三顆全同衛(wèi)星構(gòu)成邊長約為17萬公里的等邊三角形編隊(duì)，建成空間引力波探測天文臺，開展空間基礎(chǔ)科學(xué)前沿研究。
考慮到我國現(xiàn)有的技術(shù)水平離空間引力波探測實(shí)際需要和國際前沿還有較大的差距，在部分核心技術(shù)指標(biāo)上還有量級的差距。為此，“天琴計(jì)劃”提出“0123”技術(shù)路線圖來穩(wěn)步推動(dòng)所需的核心關(guān)鍵技術(shù)走向成熟。第“0”步就是開展地月激光測距實(shí)驗(yàn)，獲得對天琴衛(wèi)星的高精度測距能力，為天琴衛(wèi)星的高精度定軌提供技術(shù)支撐;第“1”步發(fā)射單顆衛(wèi)星，建立高精度空間慣性基準(zhǔn)，驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)的可靠性;第“2”步是發(fā)射兩顆衛(wèi)星，對長距離星間激光干涉測量技術(shù)進(jìn)行在軌驗(yàn)證;第“3”步，發(fā)射三顆衛(wèi)星構(gòu)成三角形編隊(duì)，即為“天琴”進(jìn)行引力波的空間探測。
天琴中心副主任、該項(xiàng)技術(shù)負(fù)責(zé)人葉賢基教授介紹，地月距離在38萬公里左右，地月激光測距基本原理就是從地面測距臺站的望遠(yuǎn)鏡上，將高度同向性脈沖激光束射向放置在月球表面的反射鏡，反射鏡發(fā)射該激光信號再通過地面臺站的望遠(yuǎn)鏡接收，通過發(fā)送、接收時(shí)間差計(jì)算出地月之間的距離，地月激光測距是目前人類歷史上最遠(yuǎn)距離的激光測距實(shí)驗(yàn)，也是目前地月距離測量精度最高的技術(shù)手段。
天琴中心工程師韓西達(dá)介紹，地月激光測距技術(shù)將為未來發(fā)射的天琴衛(wèi)星提供厘米級精度的精確定位，使天琴衛(wèi)星能夠精準(zhǔn)進(jìn)入指定軌道，這也是基于地球軌道的“天琴計(jì)劃”進(jìn)行空間引力波探測的優(yōu)勢之一?；谔栜壍赖目臻g引力波探測方案，因?yàn)槠湫l(wèi)星距離地球超過5000萬公里，基本不太可能利用激光來進(jìn)行定位。
據(jù)了解，我國于20世紀(jì)70年代起就具備衛(wèi)星激光測距能力，但技術(shù)水平仍不能進(jìn)行地月距離的激光測距。2015年開始，中山大學(xué)“天琴計(jì)劃”科研團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)月球激光測距任務(wù)，并得到國家航天局和國家自然科學(xué)基金委應(yīng)急項(xiàng)目的支持。
地月激光測距技術(shù)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，它涵蓋大型望遠(yuǎn)鏡、脈沖激光器、單光子探測、自動(dòng)控制、空間軌道等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。葉賢基介紹，通過與中國科學(xué)院云南天文臺合作，升級昆明的衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)，于2018年1月22日首次測出地月距離。這是中國人首次成功利用激光精確地測量地球距月球的距離，也使我國成為世界上第五個(gè)實(shí)現(xiàn)地月激光精確測量的國家。
隨后，天琴團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)珠海測距臺站建設(shè)項(xiàng)目，于2019年6月首次測得地月距離，在隨后的幾個(gè)月里，團(tuán)隊(duì)測到了月面上所有的五面反射鏡，地月激光測距的技術(shù)穩(wěn)定性和成熟性進(jìn)一步得到確認(rèn)。
25日，記者在位于鳳凰山頂?shù)?ldquo;天琴計(jì)劃”激光測距臺站內(nèi)看到，一個(gè)口徑為1.2米的反射式望遠(yuǎn)鏡、一個(gè)工作溫度在零下200多攝氏度的多通道超導(dǎo)單光子探測器、一個(gè)高重頻短脈沖固體激光器、一個(gè)激光測距光學(xué)平臺等核心部件，組成了可以測出地月距離的科技“利器”。
羅俊院士表示，地月激光測距技術(shù)是“天琴計(jì)劃”“沿途下蛋”的成果之一。它除了是“天琴計(jì)劃”的關(guān)鍵技術(shù)之外，其本身對月球基礎(chǔ)科學(xué)研究、我國太空安全、空間碎片和深空目標(biāo)探測、太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)等多領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值。“比如，長期的地月距離觀測資料對于地月系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、月球物理等基礎(chǔ)研究具有重要的價(jià)值。太空安全方面，地月激光測距技術(shù)可以‘毫厘不差’地鎖定空間碎片和深空目標(biāo)，大幅提升空間安全。又比如，空間科學(xué)方面，地月激光測距技術(shù)有助于打造‘太空實(shí)驗(yàn)室’，推進(jìn)我國空間科學(xué)發(fā)展。”
20世紀(jì)60年代，在實(shí)施登月計(jì)劃之前，美國和蘇聯(lián)就開始進(jìn)行激光測月試驗(yàn)，但測量精度有限。隨著登月的成功，美國、蘇聯(lián)先后在月球上放置了五個(gè)激光角反射器。從此，地月激光測距成為最精準(zhǔn)的地月距離測量手段。
