在人类探索宇宙的征程中，精准测量始终是核心命题。从地球轨道卫星的精密定轨到地月距离的毫米级测算，一项名为“激光测距”的技术正以其无与伦比的精度，为我们搭建起连接地球与深空的“测量桥梁”。卫星激光测距（Satellite Laser Ranging, SLR）、激光测卫与激光测月（Lunar Laser Ranging, LLR），这三项紧密关联的技术，不仅是空间大地测量领域的“精度标杆”，更支撑着载人航天、深空探测、空间安全等诸多重大科研与工程任务。本文将从基本原理、国内外研究进展、应用价值三个维度，带大家初步了解这项“用激光丈量宇宙”的尖端技术。

一、激光测距技术的基本原理

传统的无线电测距受限于波长较长、信号易受电离层干扰等因素，精度通常在米级。而随着航天任务对轨道精度要求日益提高——无论是导航卫星、地球观测平台，还是深空探测器——科学家亟需一种更高精度、更稳定、不受大气色散影响的测距手段。激光，因其波长短（通常为532 nm绿光）、方向性好、脉冲时间极短（皮秒级），成为理想选择。自20世纪60年代起，激光测距技术逐步发展为现代空间大地测量和深空探测的关键支撑工具。

卫星激光测距的基本原理可追溯至我们熟知的“距离=速度×时间”物理公式。具体而言，它是通过精确测定激光脉冲从地面测站到达卫星（或月球）并返回的时间，结合光速常数来计算距离。

激光脉冲的往返时间间隔测定是核心技术。当地面测站向卫星发射激光脉冲时，一小部分激光能量会被取样并转换为电脉冲，作为计时开始的“主波脉冲”。而大部分激光脉冲则射向太空，被卫星上的反射镜反射回地面接收系统，形成“回波脉冲”停止计时。

卫星激光测距的完整链路的包括地面发射系统、星载反射系统和地面接收系统三大核心部分。地面站通过望远镜发射皮秒级短脉冲激光束，激光束精准射向卫星上安装的角反射器——这种特殊设计的反射器能将入射激光沿原方向反射回地面；地面接收系统通过高灵敏度探测器捕获极微弱的回波信号，再由原子钟精确记录激光发射与接收的时间差。由于激光往返时间极短（如低轨卫星仅需几毫秒），时间测量精度需达到皮秒级，才能实现厘米级甚至毫米级的距离测量精度——这相当于在38万公里的地月距离上，测量误差不超过一根头发丝的直径。

激光测月的原理与卫星激光测距一致，但面临着更严苛的技术挑战。地月平均距离约38万公里，激光脉冲往返时间约2.5秒，在此过程中，激光需穿透地球大气层两次，面临大气散射、折射带来的信号衰减与时间延迟；同时，月面反射器的有效反射面积极小（如阿波罗15号放置的反射器阵列面积仅0.3平方米，从地球视角相当于“针孔大小”），导致回波信号极其微弱——每发射上亿个光子，最终能被地面接收的仅1个左右。因此，激光测月系统需要更大口径的望远镜（如我国“天琴计划”的1.2米口径望远镜）、更高功率的激光发射器和更灵敏的超导单光子探测器，才能实现稳定的高精度测量。

二、国内外研究现状：从米级到毫米级的精度跨越

激光测距技术自20世纪60年代起步，经过半个多世纪的发展，已从最初的米级精度跃升至当前的毫米级精度，测量范围从近地轨道延伸至地月空间，形成了全球协同的观测网络。

国际卫星激光测距的发展以国际激光测距服务组织（International Laser Ranging Service, ILRS）为核心纽带。该组织成立于1999年，整合了全球数十个卫星激光测距站，推动了测距技术的标准化与协同发展。早期（20世纪60年代），激光测距精度仅为米级；到21世纪初，随着千赫兹（kHz）级重复频率激光技术的应用，精度提升至厘米级；近年来，超高重复频率技术实现突破——奥地利科学院太空研究中心成功实现1MHz重复频率的卫星激光测距，大幅提升了数据获取效率，还实现了对空间碎片的精准测量。

在激光测月领域，美国是最早实现突破的国家。1969年阿波罗11号登月任务在月面放置首个激光反射器后，美国随即成功捕获回波信号，开启了激光测月的新纪元。此后，美国、俄罗斯（前苏联）通过阿波罗计划和月球计划，在月面共放置了5个反射器。目前，全球仅有法国格拉斯测站、意大利马泰拉测站、美国阿波罗测站等少数站点能开展常规激光测月工作。此外，欧洲空间局（ESA）正推动空间碎片激光测距（SDLR）技术的产业化应用，通过搭建商业激光测距数据交换平台，为空间态势感知提供高精度数据支持。

我国卫星激光测距技术起步于20世纪70年代，经过数十年的自主研发，已实现从“跟跑”到“领跑”的跨越。在卫星激光测距领域，我国上海、长春、北京、昆明等地的测站已跻身国际先进行列——2013年，上海SLR站通过技术升级，实现10kHz重复频率的全天时测距，可覆盖从低轨到同步轨道的各类卫星；2025年，中科院上海天文台等单位研发的5kHz重复频率SLR系统，实现了毫米级高精度测量，数据质量达到国际领先水平。

在激光测月领域，我国实现了多项关键突破：2018年1月，中科院云南天文台