[分享]激光测距技术应用—太空探索 [复制链接]

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。 |Uh8b %  
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一、激光测距技术的基本原理 %#6@PQ[R.  
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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。 b#j:)PA0C  
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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。 `lf_wB+I  
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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。 6].[z+  
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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。 n1[c\1  
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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。 JsEJ6!1  
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二、国内外研究现状：从米级到毫米级的精度跨越 ts]e M1;  
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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。 \#sD`O  
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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。 JWVV?~1  
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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。 K_Y-N!h  
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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。 Im]@#X  
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在激光测月领域，我国实现了多项关键突破：2018年1月，中科院云南天文台首次成功接收月球激光回波信号，使我国成为世界上第五个实现地月激光精确测量的国家；2019年，中山大学“天琴计划”激光测距台站成功测到月面全部5个反射镜的回波信号，测得国内最准的地月距离，精度达到国际先进水平；2025年4月，我国“天都一号”卫星完成全球首次白天强光干扰下的地月激光测距，突破了传统激光测月只能在夜间开展的限制。此外，我国还实现了地月空间尺度的卫星激光测距——2025年4月，通过DRO-A卫星单角锥反射器与地面系统的配合，成功完成35万公里距离的激光测距试验，成为继美国之后第二个掌握该技术的国家。 [8V;Q  
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三、核心应用：从基础科研到重大工程的全场景赋能 0uy'Py@2<  
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激光测距技术以其超高精度，在空间大地测量、深空探测、空间安全、基础物理研究等领域发挥着不可替代的作用，是支撑我国航天强国建设的关键技术之一。 unDW2#GX  
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1. 空间大地测量：构建地球与宇宙的“精准坐标系” %h.zkocM  
卫星激光测距是构建国际地球参考架（ITRF）的核心技术之一，通过对全球分布的SLR站和卫星的观测，可精准确定地球质心位置、地球重力场参数、地球自转参数等关键信息，为全球导航、地震监测、海平面变化研究等提供基础数据支撑。例如，通过长期SLR观测，科学家可精准监测板块运动，为地震预警提供数据；通过测量地球重力场变化，可反演地球内部结构与气候变化。 S"bN9?;#u  
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激光测月则为地月系统动力学研究提供了精准数据。通过长期监测地月距离变化，科学家发现月球正以每年3.8厘米的速度远离地球，这一数据为研究地月系统起源与演化提供了关键依据；同时，激光测月还可验证爱因斯坦广义相对论在深空环境中的适用性，是基础物理研究的“太空实验室”。 %G?@H
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2. 深空探测与航天工程：为航天器“精准导航” f-U zFlU  
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在载人航天与月球探测任务中，激光测距技术是航天器精密定轨与着陆导航的核心保障。例如，我国嫦娥系列探测器的月球着陆任务中，激光测距技术提供的厘米级轨道数据，确保了探测器精准着陆于预定区域；未来我国国际月球科研站的建设，也将依赖激光测距技术实现月球基地与地球之间的精准定位与通信。此外，激光测距技术还支撑着我国“天琴计划”等重大科研项目——地月激光测距技术可为天琴卫星提供厘米级精度的精确定位，保障空间引力波探测任务的顺利实施。 t~2oEwTm  
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3. 空间安全：守护近地空间的“清道夫” Upz)iOqLi  
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随着近地空间卫星数量的激增，空间碎片已成为航天活动的重大威胁。激光测距技术可对小至10厘米的空间碎片进行精准追踪，测量精度比传统雷达高30倍，能有效降低卫星与碎片碰撞的风险。欧洲空间局推动的商业激光测距数据交换平台，已开始为卫星运营商提供空间碎片轨道预测数据，帮助运营商制定规避策略，减少不必要的轨道机动。我国的激光测距系统也已具备空间碎片监测能力，为保障我国空间站等重要航天资产的安全提供了技术支撑。 "O$bq::(]e  
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4. 导航系统优化：提升北斗导航的“精准度” 5SFr E`  
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卫星导航系统的定位精度依赖于卫星轨道的精准度。激光测距技术可对北斗卫星等导航卫星进行高精度轨道校准，修正轨道误差。据规划，2025年我国将通过激光测距技术把亚太地区的北斗定位误差从8米降至6.8米，大幅提升导航系统在交通、农业、测绘等领域的应用价值。 ^sv|m"  
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四、参考文献 \p^V~fy7rU  
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1. 龙明亮, 张海峰, 吴志波, 等. 高数据质量高精度毫米级重复频率5kHz卫星激光测距[J]. 地球与行星物理论评(中英文), 2025, 56(0): 1-11. DOI: 10.19975/j.dqyxx.2025-033.
2. ESA. SPACE DEBRIS LASER RANGING: MOVING FROM EXPERIMENTS TO OPERATION[C]// ESA Proceedings Database, 2025.
3. 测得最准地月距离，激光测距台站立功[EB/OL]. 激光制造网, 2025-11-25. https://www.laserfair.com/news/202005/27/76118.html.
4. Calais E. Other Space Geodetic Technique[P]. Purdue University, 2025.
5. 之前仅美国“摸黑”成功过，中国世界首次!白天给月球“量身高”[EB/OL]. 网易, 2025-04-30. http://m.163.com/dy/article/JUE8FAH90522EJ5G.html.
6. ILRS. Other ILRS Related Publications[EB/OL]. 2025-10-25. https://ilrs.gsfc.nasa.gov/about/reports/other_publications.html.
7. 我国首次实现地月空间卫星激光测距[EB/OL]. 中国科学院, 2025-04-28. https://www.cas.cn/cm/202504/t20250428_5066430.shtml.

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文章来源：公众号iLoveOurEarth

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