2018年5月9日

GRACE-FO將按月測量軌道衛(wèi)星下地球質量變化所產生的地心引力變化。衛(wèi)星相繼圍繞地球運行時，這些移動中的質量改變它們下面的引力，細微改變它們之間的距離。

圖片提供：美國國家航空航天局（NASA）/噴氣推進實驗室（JPL）—加州理工學院（Caltech）

　　想象一下，站在洛杉磯一棟建筑的屋頂上，試圖精確地把激光擊中位于距離100英里（160公里）外的圣地亞哥的一幢目標建筑。

　　這是在即將啟動的重力恢復和氣候實驗后繼任務（GRACE-FO）中，一項新技術演示將著眼實現的一項功績。這種被稱為激光測距干涉測量新技術將首次在2顆衛(wèi)星間進行測試。

　　GRACE-FO衛(wèi)星計劃于2018年5月19日發(fā)射，它將繼續(xù)擴大前GRACE衛(wèi)星（該任務2002年啟動，2017年10月完成）使命的豐富成果。

　　GRACE通過其洞察能力展示大量液態(tài)水體和冰體的每月變化情況，轉變我們對全球水循環(huán)的了解。這次任務還增加了我們對固體地球大尺度變化的認知水平。

　　GRACE-FO將為GRACE里程碑式的測量成果再提供至少5年的連續(xù)觀測能力，進一步提高對地球系統(tǒng)過程的科學認知以及對環(huán)境監(jiān)測和預測的精度。

GRACE工作原理

　　GRACE通過精確測量2個接續(xù)繞地球飛行的航天器之間微小距離變化，獲得地球質量運動數據。當這2顆衛(wèi)星遇到諸如山脈或地下水體質量的地球質量分布變化時，地球引力對航天器產生的引力作用將改變它們之間的距離。

　　例如，喜馬拉雅山脈使分隔距離改變了大約0.03英寸（80微米）。通過精確計算各月份各軌道衛(wèi)星分隔距離變化的全時像結果，可以進行高精度地球質量分布變化測量。

　　基于航天器之間互相發(fā)射微波的能力，航天器間的高精度測距變化成為可能。微波相互作用的方式——彼此間互相干擾方式——在太空中創(chuàng)建了1個微波干涉儀。這一過程實質上將2個航天器轉換成了一種能夠精確測量它們之間距離變化的單一儀器，而這又進一步聯(lián)系到地球上的質量分布變化。

GRACE-FO的新功能

　　GRACE-FO遵循與GRACE同樣的原理工作。每個航天器再次攜帶1臺微波儀跟蹤分隔距離變化。除此之外，GRACE-FO也有一些新功能：一種激光測距儀（LRI）的技術演示，該技術由位于加州Pasadena的美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）和位于Hanover的德國馬普學會物理研究所（Albert-Einstein Institut）共同管理。除了進行彼此之間微波發(fā)射外，GRACE-FO衛(wèi)星還將相互發(fā)射激光。

　　由于激光束波長比微波波長短得多，激光測距儀將提高分隔距離變化的跟蹤精度——通過毫米級測量替代厘米級，大大提高測量精度。GRACE-FO干涉儀將檢測到比微波儀探測距離小10倍的變化，比人類頭發(fā)的直徑小100倍。

　　JPL LRI儀器經理Kirk McKenzie指出，基于GRACE-FO，我們正在把實驗室中開發(fā)的一些前沿技術應用于太空飛行任務。進行了實驗室?guī)资旯ぷ鞯哪康木褪菫榱丝吹轿覀兊募夹g能為實現科學發(fā)現開創(chuàng)一種新型測量方法。

　　要使每顆GRACE-FO衛(wèi)星能夠探測到另一顆的激光信號，這著實不易。每一個激光器都發(fā)出大約4個激光指示器的功率，并且必須要使在距離大約137英里（220公里）以外的另一顆衛(wèi)星探測到。即使是超精密的衛(wèi)星組裝也不能保證每個航天器發(fā)射的激光都能與其他航天器保持一致。

　　McKenzie闡釋，因此，激光測距儀第一次開啟時，每個航天器上的LRI組件需要執(zhí)行一次掃描，發(fā)送儀器信號，嘗試在所有可能的配置中“捕捉”對方信號。

　　這一航天器有如此多的可能配置，操作需要花9個小時。這9個小時中，有1毫秒的時間，2個航天器上都會有一個閃光，證明它們正在互相“交談”。在此信號采集發(fā)生一次后，將形成干涉儀的光學連接，而后該儀器進行連續(xù)和自主操作。

　　德國馬普研究所（Max Planck Institute）的儀器經理Gerhard Heinzel指出，我們正在嘗試一些非常困難的事情，這是首次在太空中進行衛(wèi)星之間的激光干涉測量。然而，解答了這些困惑問題，找到一些有用的措施，令人非常滿意。

　　這項任務的難點在于需要挖掘不同領域的專業(yè)知識。JPL負責監(jiān)督干涉儀、測量電子和光學諧振腔上進行激光掃描。Max Planck Institute負責光學、探測器、反射鏡和光束分離器。GRACE-FO激光測距儀同時得益于兩個小組ESA/NASA太空天線（LISA）激光干涉儀任務中的長達15年歷史的技術合作運行，LISA探測器將于2030年早期進行發(fā)射。

進行如此艱難攻關的理由

　　JPL項目科學家Frank Webb指出，GRACE-FO激光測距儀可能成為未來圍繞地球甚或進行宇宙觀測任務的一項潛在新技術，這種更高精度的新式測量方法應該能夠在未來以更輕重量、更低功率和成本方式進行更有效地運行。我們急切地想知道它是如何表現的，以及我們可以從這些數據中得到什么新信號。

　　如果這項新技術獲得成功，連同改進的加速度計，實現直徑超過200英里（300公里）覆蓋面，類似GRACE-FO衛(wèi)星分辨率的提高，使未來衛(wèi)星任務能夠追蹤和精確定位較小水體、冰體和固體地球變化。

　　原文題目：Lasers in Space: Earth Mission Tests New Technology

　　資料來源：https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2018-093&rn=news.xml&rst=7116

　　（王化編譯，殷永元審核）