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2020-05-27 光明日报

全国人大代表、中国科学院院士、我国空间引力波探测“天琴计划”首席科学家罗俊今年全国两会期间接受记者采访时介绍,中山大学“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...

  光明日报5月27日消息,全国人大代表、中国科学院院士、我国空间引力波探测“天琴计划”首席科学家罗俊今年全国两会期间接受记者采访时介绍,中山大学“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。

  2014年3月,“天琴计划”是由罗俊院士提出的“天琴”空间引力波探测计划,旨在通过引力波探测进行天文学、宇宙学及基础物理前沿研究。“天琴计划”的基本方案是于2035年前后在约10万公里高的地球轨道上,部署三颗全同卫星构成边长约为17万公里的等边三角形编队,建成空间引力波探测天文台,开展空间基础科学前沿研究。

  考虑到我国现有的技术水平离空间引力波探测实际需要和国际前沿还有较大的差距,在部分核心技术指标上还有量级的差距。为此,“天琴计划”提出“0123”技术路线图来稳步推动所需的核心关键技术走向成熟。第“0”步就是开展地月激光测距实验,获得对天琴卫星的高精度测距能力,为天琴卫星的高精度定轨提供技术支撑;第“1”步发射单颗卫星,建立高精度空间惯性基准,验证相关技术的可靠性;第“2”步是发射两颗卫星,对长距离星间激光干涉测量技术进行在轨验证;第“3”步,发射三颗卫星构成三角形编队,即为“天琴”进行引力波的空间探测。

  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。基于太阳轨道的空间引力波探测方案,因为其卫星距离地球超过5000万公里,基本不太可能利用激光来进行定位。

  据了解,我国于20世纪70年代起就具备卫星激光测距能力,但技术水平仍不能进行地月距离的激光测距。2015年开始,中山大学“天琴计划”科研团队启动月球激光测距任务,并得到国家航天局和国家自然科学基金委应急项目的支持。

  地月激光测距技术是一项综合技术,它涵盖大型望远镜、脉冲激光器、单光子探测、自动控制、空间轨道等多个技术领域。叶贤基介绍,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。

  随后,天琴团队启动珠海测距台站建设项目,于2019年6月首次测得地月距离,在随后的几个月里,团队测到了月面上所有的五面反射镜,地月激光测距的技术稳定性和成熟性进一步得到确认。

  25日,记者在位于凤凰山顶的“天琴计划”激光测距台站内看到,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、一个激光测距光学平台等核心部件,组成了可以测出地月距离的科技“利器”。

  罗俊院士表示,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,地月激光测距技术可以‘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。”

  20世纪60年代,在实施登月计划之前,美国和苏联就开始进行激光测月试验,但测量精度有限。随着登月的成功,美国、苏联先后在月球上放置了五个激光角反射器。从此,地月激光测距成为最精准的地月距离测量手段。

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