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月出而作 月入而息 “地月测距人”做客《湾区会客厅》分享“天琴计划”背后故事

标签:珠海 激光 计划 反射 测距  日期:2020-07-18 00:52
天琴中心工程师韩西达,测月工程师韩西达,分享了,实际上,为什么,光子数只有很小一部分,天琴计划将首先发展月球和深空卫星激光测距技术,地月激光测距实验所掌握的高精度测距能力将
本报讯 记者廖明山 张景璐报道:自古以来,人们仰望星空,总是对浩瀚的银河充满想象,不断探索。公元300年,古希腊天文学家托勒密利用月全食,第一次粗略地计算出了地月之间的距离。不计其数的科学家前赴后继,在精密测量的应用研究中,日复一日地试验、测算,为探索更深层次的空间奥秘奠定基础。

天琴中心工程师韩西达(左)接受《湾区会客厅》栏目采访。 郭凌轩 袁俊 摄

近日,测月工程师韩西达,测月科学家、天琴中心副主任叶贤基做客珠海传媒集团知名电视栏目《湾区会客厅》,分享了“天琴计划”中“地月测距人”的故事,揭秘测出国内最准地月距离的探索之旅。

韩西达介绍,地月激光测距的基本原理就是从地面测距台站的激光测距望远镜上,将高度同向性脉冲激光束射向放置在月球表面的激光反射镜,反射镜发出的激光回波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。“实际上,发射激光受很多因素影响。在珠海激光测距台站观测的难点之一就是晴天可观测的窗口期短、云层厚,透过云层,光会产生折射,从而影响激光测距的精度。一年大概有3-4个月能达到测试条件。”韩西达说。

“第一次看到清晰可见的数据传回时,非常兴奋。虽然理论上发出激光后一定会传回来,但是实际操作上有很多不确定因素。那时天气不算很好,也只是用了很短的窗口期,天空还有很多云,是在云的缝隙中把它测到的。”为什么能测成功?为什么同样的方法之前却测不到?兴奋之余,韩西达和团队工作人员将更多精力放在研究和思考“为什么”上。

月出而作,月入而息,这个团队的工作人员每天傍晚出发,沿着七公里的盘山路,爬上位于珠海凤凰山顶的激光测距台站,开始他们的测距工作。正是这些“地月测距人”精益求精的精神,短短几个月的时间,从珠海台站建成到获得了月面上全部5组反射镜的回波信号。这一成果,令我国成为世界上第五个实现地月激光精确测量的国家,也是世界上第三个成功测得全部5个反射镜的国家。

“看起来容易,做起来难”是科学家们对地月激光测距的定位。“难在距离实在太远。”叶贤基介绍,激光器发射出一束激光,光斑事实上是会发散的,激光也会发散,只是发散角小。当激光到达月球表面的时候,光斑已经从开始的一点扩散到有几公里了。换句话说,真正打到待测物上的光功率、光子数只有很小一部分。随后,再从待测物上反射回来,回来的时候每秒钟连一个光子都接收不到。不仅如此,还要确定这个光子是不是从待测物那里反射回来的。

测量角度,也是测距的决定性因素,稍有偏差,就会导致测不到。测量角度要达到怎样的精确程度呢?叶贤基比喻道:“相当于一个人站在珠海,一个人站在广州南站。广州南站的人手上拿着一颗米粒,在珠海的这个人,手上拿着一支光笔去对准那颗米粒。”

“国外现在基本上测的都是美国放置的三个反射镜。我们还测到了两个前苏联的反射镜。前苏联其中的一个反射镜曾经失踪了二三十年,后来找到才发现是反射回来的信号变弱了。”叶贤基称,能测到前苏联的两个反射镜意义重大,因为这两个反射镜刚好是放在月球的最侧面,月球运动的时候,边缘位置变化大,不容易测到回波信号。目前,国际上对于这两面反射镜的数据非常少,而我国科学家的测量则补充了这两个反射镜的数据。

叶贤基表示,地月激光测距实验只是“天琴计划”的第“0”步,作为空间引力波探测计划的“天琴计划”制定了“0123”计划路线图,天琴计划将首先发展月球和深空卫星激光测距技术,帮助实现对天琴卫星毫米级的定轨精度并进行空间等效原理检验实验,下一代重力卫星实验等,最终进行天琴计划的第“3”步探测实验——探测引力波。而作为整个天琴计划的基础,地月激光测距实验所掌握的高精度测距能力将为未来天琴卫星的高精度定轨,提供技术支撑。

在西方科学家主导了300多年的领域里,中国科学家用36年的时间测出了世界最精确的万有引力常数G的值,提出了空间引力波探测“天琴计划”。“目前,我们的定位精度只能说和国际持平,或者稍微领先一点。测月精度要达到真正的毫米级,未来还有很长的路要走。”韩西达说。

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