【技术创新】激光在太空应用：地球任务测试新技术

2018年5月9日

GRACE-FO将按月测量轨道卫星下地球质量变化所产生的地心引力变化。卫星相继围绕地球运行时，这些移动中的质量改变它们下面的引力，细微改变它们之间的距离。

图片提供：美国国家航空航天局（NASA）/喷气推进实验室（JPL）—加州理工学院（Caltech）

　　想象一下，站在洛杉矶一栋建筑的屋顶上，试图精确地把激光击中位于距离100英里（160公里）外的圣地亚哥的一幢目标建筑。

　　这是在即将启动的重力恢复和气候实验后继任务（GRACE-FO）中，一项新技术演示将着眼实现的一项功绩。这种被称为激光测距干涉测量新技术将首次在2颗卫星间进行测试。

　　GRACE-FO卫星计划于2018年5月19日发射，它将继续扩大前GRACE卫星（该任务2002年启动，2017年10月完成）使命的丰富成果。

　　GRACE通过其洞察能力展示大量液态水体和冰体的每月变化情况，转变我们对全球水循环的了解。这次任务还增加了我们对固体地球大尺度变化的认知水平。

　　GRACE-FO将为GRACE里程碑式的测量成果再提供至少5年的连续观测能力，进一步提高对地球系统过程的科学认知以及对环境监测和预测的精度。

GRACE工作原理

　　GRACE通过精确测量2个接续绕地球飞行的航天器之间微小距离变化，获得地球质量运动数据。当这2颗卫星遇到诸如山脉或地下水体质量的地球质量分布变化时，地球引力对航天器产生的引力作用将改变它们之间的距离。

　　例如，喜马拉雅山脉使分隔距离改变了大约0.03英寸（80微米）。通过精确计算各月份各轨道卫星分隔距离变化的全时像结果，可以进行高精度地球质量分布变化测量。

　　基于航天器之间互相发射微波的能力，航天器间的高精度测距变化成为可能。微波相互作用的方式——彼此间互相干扰方式——在太空中创建了1个微波干涉仪。这一过程实质上将2个航天器转换成了一种能够精确测量它们之间距离变化的单一仪器，而这又进一步联系到地球上的质量分布变化。

GRACE-FO的新功能

　　GRACE-FO遵循与GRACE同样的原理工作。每个航天器再次携带1台微波仪跟踪分隔距离变化。除此之外，GRACE-FO也有一些新功能：一种激光测距仪（LRI）的技术演示，该技术由位于加州Pasadena的美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）和位于Hanover的德国马普学会物理研究所（Albert-Einstein Institut）共同管理。除了进行彼此之间微波发射外，GRACE-FO卫星还将相互发射激光。

　　由于激光束波长比微波波长短得多，激光测距仪将提高分隔距离变化的跟踪精度——通过毫米级测量替代厘米级，大大提高测量精度。GRACE-FO干涉仪将检测到比微波仪探测距离小10倍的变化，比人类头发的直径小100倍。

　　JPL LRI仪器经理Kirk McKenzie指出，基于GRACE-FO，我们正在把实验室中开发的一些前沿技术应用于太空飞行任务。进行了实验室几十年工作的目的就是为了看到我们的技术能为实现科学发现开创一种新型测量方法。

　　要使每颗GRACE-FO卫星能够探测到另一颗的激光信号，这着实不易。每一个激光器都发出大约4个激光指示器的功率，并且必须要使在距离大约137英里（220公里）以外的另一颗卫星探测到。即使是超精密的卫星组装也不能保证每个航天器发射的激光都能与其他航天器保持一致。

　　McKenzie阐释，因此，激光测距仪第一次开启时，每个航天器上的LRI组件需要执行一次扫描，发送仪器信号，尝试在所有可能的配置中“捕捉”对方信号。

　　这一航天器有如此多的可能配置，操作需要花9个小时。这9个小时中，有1毫秒的时间，2个航天器上都会有一个闪光，证明它们正在互相“交谈”。在此信号采集发生一次后，将形成干涉仪的光学连接，而后该仪器进行连续和自主操作。

　　德国马普研究所（Max Planck Institute）的仪器经理Gerhard Heinzel指出，我们正在尝试一些非常困难的事情，这是首次在太空中进行卫星之间的激光干涉测量。然而，解答了这些困惑问题，找到一些有用的措施，令人非常满意。

　　这项任务的难点在于需要挖掘不同领域的专业知识。JPL负责监督干涉仪、测量电子和光学谐振腔上进行激光扫描。Max Planck Institute负责光学、探测器、反射镜和光束分离器。GRACE-FO激光测距仪同时得益于两个小组ESA/NASA太空天线（LISA）激光干涉仪任务中的长达15年历史的技术合作运行，LISA探测器将于2030年早期进行发射。

进行如此艰难攻关的理由

　　JPL项目科学家Frank Webb指出，GRACE-FO激光测距仪可能成为未来围绕地球甚或进行宇宙观测任务的一项潜在新技术，这种更高精度的新式测量方法应该能够在未来以更轻重量、更低功率和成本方式进行更有效地运行。我们急切地想知道它是如何表现的，以及我们可以从这些数据中得到什么新信号。

　　如果这项新技术获得成功，连同改进的加速度计，实现直径超过200英里（300公里）覆盖面，类似GRACE-FO卫星分辨率的提高，使未来卫星任务能够追踪和精确定位较小水体、冰体和固体地球变化。

　　原文题目：Lasers in Space: Earth Mission Tests New Technology

　　资料来源：https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2018-093&rn=news.xml&rst=7116

　　（王化编译，殷永元审核）