我国的天琴计划和激光地月测距
根据央视新闻12月20日的报道，我国中山大学天琴计划团队利用该校珠海校区天琴计划激光测距台站，获得月球上全部5个激光反射镜的回波信号。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五个反射镜的国家。
天琴计划是我国为了探测空间引力波而制定的计划，于2015年7月正式启动。该计划主要将分四阶段实施：第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施；第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证，以及空间等效原理实验检验；第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证，以及全球重力场测量；第四阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术，发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。整个计划时间大约15~20年。
天琴计划采用三颗卫星（如图所示SC1，SC2，SC3）构成一个等边三角形阵列，每颗卫星内部包含一个或两个悬浮检验质量。卫星上将安装可变推力的微牛级推进器，实时调节卫星姿态，使得检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。卫星外壳保护局下，检验质量将只在引力的作用下运动，且不受来自太阳风或太阳光压等细微的非引力干扰。高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化，从而获得有关引力波的信息。
探测引力波的天琴计划
而最近成功实现了月球激光反射器的数据获取，可以说是第一阶段的重要里程碑。激光测距是一项综合技术，涵盖了激光、光点探测、自动控制、空间轨道等多个学科领域。
1969年7月21日，美国阿波罗11号登月成功，并由宇航员在月面上安装了一套月面数据实验包，简称ALSEP系统，其中包括一个月面激光反射装置。1969年8月1日，美国Lcik天文台用3m望远镜成功获得了来自月面激光反射器的测距回波信号；8月22日，McDonald天文台的2.7米望远镜也收到了回波信号；随后还有亚利桑那州的剑桥研究实验室，法国的Pic du Mdi天文台和日本东京天文台都先后获得了月面反射器发回的回波信号。
阿波罗15号安装的激光反射器
后来，美国阿波罗14号和15号分别各放置了激光反射器，苏联利用无人飞船也放置了Lunakbod 1和Lunakbod 2两台反射器，而Lunakbod 1只有在安放初期由苏联Crinean天文台和法国Pic du Mdi天文台获得过回波信号，后来就再也没收到过。直到2010年，Apache Point天文台才再次获得该发射器的回波信号，但信号非常弱，是5个反射器中最难以捕获回波信号的。
月面上的5台激光反射器所在位置
月面激光反射器主要参数
目前，国际上可以进行卫星激光测距的天文台有几十个，而可以进行激光测月工作的天文台却没有几家，我国也已经尝试了30多年。激光测距的原理听起来很简单，就是向月面发射一束激光，通过安装在月面的发射器将激光反射回来，再捕捉到反射回波就可以精确获得地月之间的距离了。但是由于地月距离达到38万多千米，激光束发射过去再反射回来后，能量几乎所剩无几，因此获取有效数据的难度是相当大的。
目前月面的5个反射器回馈的观测数据量差异很大，其中阿波罗15号反射器占的数据量最大，达到了77%，而Lunakbod 1获得的数据最少。
各激光反射器数据对比
月球激光测距（LLR）已经发展了40年，已经积累了近2万个标准点数据，这些数据反映了地球、月球及地月轨道的重要信息，主要应用归结为4大方面：1，对引力理论和广义相对论效应的验证。2，地球物理和大地测量，地面台站的坐标及运动，世界时UT0/UT1，纬度的变化，岁差和主要章动。3，月球动力学和大地测量，物理天平动，月面参考，月球潮汐等。4，日月系统的潮汐等。
我国自1992年开始白天激光测距的研究，1997年成功实现白天对Lageos等卫星的测距，2001年上海天文台采用皮秒计时器，测距精度达到7~8米，2008年成功实现空间目标漫反射测距实验。
天琴计划激光测距台站
影响探测回波光子数的因素很多，我们主要在以下几个方面采取了措施。
1，研究大气湍流对测月激光束的影响，对测月激光束实施大气倾斜量补偿，以提高测月回波光子数。大气湍流对激光束传输的影响主要表现在光束的漂移和扩展，如果对大气波前倾斜量进行补偿后，回波光子数将增加6~40倍。
2，角秒量级的轴系精度、跟踪精度和指向精度。
3，激光发射与回波方向的光行差补偿。由于地球自转和月球本身的轨道运动，月球相对地面观测站会以约每秒14.5角秒的速度在天空中运动而形成光行差。因此对于回波而言，作为探测器的单光子雪崩二极管（SPAD）的接受面积仅有0.1~0.2mm，其视场很小，仅有几个角秒，这样光行差就会造成一定的影响。在进行补偿后，可抵消光行差的影响。
4，将发射激光束的发散角压缩到角秒级。由于距离遥远，即便是激光，照射到月球表面后的散射面也会达到千米的级别，如果想要获得更多的反射光子，就要尽可能的减少激光的散射，那么就要将光源的发散角缩小到角秒级别。
5，对激光器的改造。
6，月面和白天背景噪声的滤波。对月面进行激光测距时，月面光强和天空背景都会对回波产生影响。月面的亮度为0.25cd/cm^2，约为10^19光子/sm^2，而激光回波确是单个光子或亚单光子，因此必须对背景的噪声光子进行滤波，才能准确接受到反射的回波光子。
天琴计划激光反射回来的数据
在进入2019年以来，天琴计划团队一直等候时机进行测量，由于珠海的气候原因，整个上半年几乎无法进行观测。直到6月初，才出现了转机，当时抱着尝试的心态发射的一束激光束，很快就捕获到了反射回来的信号。
这是我国第一次成功完成了激光测月的实验，在接下来的五个月中，先后获得了月面上各个激光反射器的回波信号，就连最难测量的Lunakbod 1的回波信号最后也被我们获取。
至此，我们实现了月面全部五个激光反射器的回波信号，成为世界上第三个成功获得全部月面激光反射器回波信号的国家。标志着我国在空间探测技术上获得了新的进步，也预示着天琴计划第一步的顺利完成，为后续计划的实施打下了坚实的基础。
