雲南天文臺不但建立了雷射測月系統，並針對雷射測月的需求，開發並採用了新的望遠鏡指向模型，高精度雷射收發轉鏡技術以及微弱信號識別算法。
利用1.2米望遠鏡雷射測距系統，多次成功探測到月面反射器Apollo15返回的雷射脈衝信號。
前不久，中國科學院雲南天文臺應用天文研究團組在國內首次成功實現月球雷射測距，距離精度優於1米，為385823.433千米~387119.600千米。那麼，地球離月亮到底有多遠？雷射測月又是怎麼回事？
地月雷射測距
歷史上第一次測量月地距離的是希臘天文學家西帕恰斯，他利用月食測量了月地距離，根據掠過月面的地影曲線彎曲情況，能顯示出地球與月亮的相對大小，再運用簡單的幾何學原理，便可以推算出月亮到地球的距離。
西帕恰斯得出，月亮到地球的距離幾乎是地球直徑的30倍。假若他採納了埃及拉特賽尼的地球直徑數字，那麼測量出月亮到地球的距離是381000千米，已經和當今測得的數字非常接近。
所謂雷射測月，是月球雷射測距的簡稱，科學家通過精確測定雷射脈衝從地面觀測站到月面反射器的往返時間，從而計算地月距離。地月間雷射測距是一項綜合技術，它涵蓋雷射、光電探測、自動控制、空間軌道等多個學科領域，是目前地月距離測量精度最高的技術手段。
雲南天文臺副研究員、此次地月測距負責人之一的李語強在採訪中告訴《中國科學報》記者，月球雷射測距作為最精確的地月測量手段至今已有近50年。「月球雷射測距的觀測資料對天文地球動力學、地月科學、月球物理學和引力理論等諸多科學研究有重要價值。比如測定月球的形狀、大小以及表面特徵和內部結構，引力理論和廣義相對論效應的檢驗，等效原理的驗證，萬有引力常數的變化以及日月系統潮汐等。」
月球雷射測距系統（LLR，Lunar Laser Ranging）主要由月面雷射反射器和地面雷射觀測設備所組成。1964年10月，美國NASA發射了第一顆帶有後向反射器的衛星Beacon-B，並很快實現了對其衛星雷射測距SLR（Satellite Laser Ranging）。
1969年7月21日，阿波羅11號登月成功,太空人N.Armstrong將雷射後向反射器放置在月面預定位置上。月球雷射反射器Apollo11大小為46平方釐米，裝有100個直徑為3.8釐米的熔石英材料的雷射反射器。
「這種雷射反射器實際上是一個光學的四面體稜鏡，具有對雷射的入射方向與反射方向保持平行的特性，能保證在雷射測距中光信號沿原發射方向返回。」李語強解釋說。
此後，美國人又在月面不同位置放置了Apollo14、Apollo15反射器陣列。蘇聯先後發射了月球登陸車Luna17和Luna21，在月面安置了Lunakhod17和Lunakhod21反射器陣列。至今，月面上共有這5個可供進行雷射測月的角反射器陣列。
首次成功測距
有了角反射器陣列，雷射測月才有可能。1969年8月1日，美國Lick天文臺用3米口徑的望遠鏡成功地觀測到來自Apollo11反射器的雷射測距回波信號；同年8月22日，美國McDonald站2.7米望遠鏡收到回波信號。此後，McDonald站一直發展完善，成為了全球最重要的雷射測月站之一，之後陸續有法國、義大利、德國、澳大利亞、俄羅斯、日本、南非等多家測站進行過雷射測月相關研究。
「但能夠進行常規雷射測月的只有法國Grasse測站、義大利Matera測站以及美國Apollo測站和McDonald測站。」李語強介紹說。
中國的衛星雷射測距工作始於1972年，經歷了從第一代到第三代的發展過程。目前，我國的人衛雷射測距網由能正常觀測的上海、武漢、北京、長春、昆明等觀測站組成，都屬於最新一代人衛雷射測距系統。另有其他流動站正在運行，這些系統都是由中國科技工作者自行開發成功的。
「同時也成立了衛星雷射測距協調組，以協調國內觀測網的工作。現有的衛星雷射測距單次測距精度優於15毫米，實現了千赫茲高重頻測距、白天雷射測距和漫反射測距，對合作目標測距最遠達到徑向4萬公裡的同步軌道衛星。」
李語強表示，在衛星雷射測距技術的基礎上，國內各家天文臺也一直在進行各種嘗試。「上海臺多年來一直嘗試開展月球雷射測距工作，長春人衛站也在進行月球雷射測距相關的研究工作，紫金山天文臺也曾開展了月球雷射測距空間試驗的預研究，雲南天文臺多年致力於月球雷射測距的相關研究，作了多項理論研究以及技術突破。但對於月球雷射反射器和深空衛星，由於探測距離遠，回波光子數極少，國內此前一直沒有成功進行雷射測距的先例。」
為「嫦娥四號」中繼星雷射測距奠定基礎
雲南天文臺多年致力於空間目標雷射測距研究工作，在雷射測月方面作了深入的理論研究以及相關的技術方法研究。
基於現有的1.2米望遠鏡共光路雷射測距平臺和波長為532納米的雷射器，雲南天文臺升級改造了1.2米望遠鏡伺服與光學系統，研製月球雷射測距的計算機控制與數據處理系統、光學擴束系統以及轉鏡等，開展月球雷射測距試驗，發展月球雷射測距技術。
在1.2米望遠鏡基礎上，雲南天文臺不但建立了雷射測月系統，並針對雷射測月的需求，開發並採用了新的望遠鏡指向模型，高精度雷射收發轉鏡技術以及微弱信號識別算法。
雷射測月系統建立完畢後，先後進行了多次地面靶測距試驗，之後針對不同軌道高度的合作目標，包括低軌、中軌、高軌以及同步衛星進行了多次雷射測距試驗。
「團組於2017年11月中旬開始正式開展雷射測月試驗，在試驗中不斷摸索、總結經驗，並解決了試驗中遇到的實際問題，包括月面特徵的識別、望遠鏡的精確指向、強噪聲抑制等。針對雷射測月回波信號十分微弱的特點，不斷優化信號識別算法，並借用國外成功經驗，獲得了驗證測月回波數據的方法。」
李語強回憶說，在1月5日晚的雷射測月試驗中，獲得了少量Apollo15反射器疑似信號，經過識別與驗證，判斷是回波信號；1月22日晚，雷射測月試驗中，成功得獲得3組來自Apollo15的明確回波信號。此後，1月23日測得3組Apollo15、1組Apollo14和1組Apollo11數據；1月24日測得1組Apollo14；1月26日測得2組Apollo15、2組Apollo14、1組Apollo11。目前的測月試驗中，暫時還沒有對Luna17與Luna21兩個反射器開展測距試驗。
雲南天文臺應用天文研究團組經過多年的理論研究與技術攻關，終於實現此次成功雷射測距，填補了國內空白，也為我國即將開展的「嫦娥四號」中繼星雷射測距技術奠定良好基礎。