激光反向反射陣列正幫助全球定位系統(tǒng)重繪我們的世界

全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星最廣為人知的用途是幫助人們確定自己的位置，無論是駕駛汽車、船舶或飛機(jī)導(dǎo)航，還是徒步穿越偏遠(yuǎn)地區(qū)。另一個重要但鮮為人知的用途是向其他地球觀測衛(wèi)星發(fā)送信息，幫助它們對地球進(jìn)行精確測量。激光反向反射陣列（LRA）正在提升全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星的能力，這對于大地測量學(xué)中精確測量地球至關(guān)重要。這項技術(shù)能夠精確跟蹤地球的形狀、自轉(zhuǎn)和環(huán)境變化。

GPS衛(wèi)星通過向其他衛(wèi)星傳遞信息來支持地球測量。激光反向反射陣列（LRA）正在改進(jìn)這一過程，提高大地測量學(xué)——地球形狀和變化研究的精確度。激光反向反射陣列能夠進(jìn)行精確的距離測量，這對于監(jiān)測海平面上升和構(gòu)造運動等全球現(xiàn)象至關(guān)重要。

美國國家航空航天局（NASA）和其他一些機(jī)構(gòu)包括美國太空部隊、美國太空司令部、美國海軍研究實驗室和美國國家地理空間情報局，正在利用一套新的激光反向反射陣列（LRA）將這些測量的定位精度提高到毫米級。

位于美國馬里蘭州格林貝爾特的美國國家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的美國國家航空航天局空間大地測量項目經(jīng)理斯蒂芬·默考維茨說：“激光測距和LRA的主要好處是改善我們所有地球觀測的地理定位。”

該項目科學(xué)家和工程師團(tuán)隊在2023年對這些陣列進(jìn)行了測試，以確保它們能夠勝任任務(wù)，并能承受惡劣的太空環(huán)境。最近，這些新型激光反向反射陣列的第一套已運往科羅拉多州利特爾頓的研究基地，將被添加到下一代GPS衛(wèi)星中。

激光反向反射陣列使激光測距成為可能，使用小束激光來探測物體之間的距離。從地面站發(fā)出的激光脈沖射向軌道衛(wèi)星，在陣列上反射后再返回地面站。光線從地面到衛(wèi)星再返回所需的時間可以用來計算衛(wèi)星與地面之間的距離。

幾十年來，激光測距和激光反向反射陣列一直是空間任務(wù)的一部分，它們目前被安裝在ICESat-2（冰、云和陸地高程衛(wèi)星2號）、SWOT（地表水和海洋地形圖）和GRACE-FO（重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒灪罄m(xù)行動）等地球觀測衛(wèi)星上，對這些衛(wèi)星的運行至關(guān)重要。執(zhí)行阿波羅任務(wù)期間，甚至在月球表面部署了用于激光測距的激光雷達(dá)。

默考維茨說：“激光測距儀是一種特殊的鏡子。它們不同于普通的鏡子，因為它們會將光直接反彈回原來的光源。”

對于激光測距，科學(xué)家們希望將光束引導(dǎo)回原始光源。為此，他們將三面鏡子成直角放置，基本上形成了一個立方體的內(nèi)角。激光反向反射器陣列由48個這樣的鏡角陣列組成。

戈達(dá)德空間大地測量項目的光學(xué)工程師扎克·丹尼說：“當(dāng)光線進(jìn)入陣列時，由于這些90度的角度，光線會反彈并發(fā)生一系列反射，但輸出角始終與進(jìn)入時的角度相同。”

大地測量學(xué)是一門研究地球形狀、重力和自轉(zhuǎn)以及它們?nèi)绾坞S時間變化的學(xué)科。對激光反向反射陣列進(jìn)行激光測距是這項研究的關(guān)鍵技術(shù)。

由于地殼板塊移動、冰雪融化和其他自然現(xiàn)象，地球表面不斷發(fā)生著細(xì)微的變化。這些不斷的變化，再加上地球并不是一個完美的球體，因此必須有一種方法來確定地球表面的測量值。科學(xué)家稱之為參考框架。

這些陣列和激光測距不僅有助于精確定位軌道上的衛(wèi)星，還能為地球上的地面站提供準(zhǔn)確的定位信息。有了這些信息，科學(xué)家甚至可以找到地球的質(zhì)量中心，也就是參考框架的原點或零點。

大地測量——激光測距參考衛(wèi)星（ 如LAGEOS激光地球動力衛(wèi)星）用于不斷確定地球質(zhì)量中心的位置，精確到毫米。這些測量對于科學(xué)家為衛(wèi)星測量結(jié)果指定經(jīng)度和緯度并將其標(biāo)注在地圖上至關(guān)重要。

海嘯和地震等重大事件會導(dǎo)致地球質(zhì)心發(fā)生微小變化。位于華盛頓的美國海軍研究實驗室的研究工程師琳達(dá)·托馬斯說：“科學(xué)家需要精確的激光測距測量來量化和了解這些變化”。

衛(wèi)星對海平面上升等微妙而重要的地球現(xiàn)象的測量依賴于精確的參照系。海平面上升的全球長期趨勢及其季節(jié)性和區(qū)域性變化每年僅有幾毫米，但如果科學(xué)家想要精確測量這些變化，參照系必須比這些變化更加精確。

美國國家航空航天局空間大地測量項目科學(xué)家弗蘭克·萊莫因表示，大地測量是我們?nèi)粘Ｉ畹幕窘M成部分，因為它告訴我們在哪里， 也告訴我們世界是如何變化的。 （綜合整理報道）（策劃/羅媛）