NASA的激光反向反射阵列正帮助GPS重绘我们的世界

全球定位系统卫星最广为人知的用途是帮助人们了解自己的位置，无论是驾驶汽车、船舶或飞机导航，还是徒步穿越偏远地区。另一个重要但鲜为人知的用途是向其他地球观测卫星发送信息，帮助它们对地球进行精确测量。激光反向反射阵列（LRA）正在推进全球定位系统（GPS）卫星的能力，这对于大地测量学中精确测量地球至关重要。这项技术能够精确跟踪地球的形状、自转和环境变化。

GPS 卫星通过向其他卫星传递信息来支持地球测量。激光反向反射阵列（LRA）正在改进这一过程，提高大地测量学--地球形状和变化研究--的精确度。激光反向反射阵列能够进行精确的距离测量，这对于监测海平面上升和构造移动等全球现象至关重要。

美国国家航空航天局（NASA）和其他一些联邦机构，包括美国太空部队、美国太空司令部、美国海军研究实验室和美国国家地理空间情报局（National Geospatial-Intelligence Agency），正在利用一套新的激光反向反射阵列（LRA）将这些测量的定位精度提高到毫米级。

位于马里兰州格林贝尔特的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的美国国家航空航天局空间大地测量项目经理斯蒂芬-默考维茨（Stephen Merkowitz）说："激光测距和LRA的主要好处是改善我们所有地球观测的地理定位。"

该项目科学家和工程师团队在今年早些时候对这些阵列进行了测试，以确保它们能够胜任任务，并能承受恶劣的太空环境。最近，这些新型激光逆反射器阵列的第一套已运往科罗拉多州利特尔顿的美国太空部队和洛克希德-马丁公司，将被添加到下一代 GPS 卫星中。

激光逆反射器阵列通过测试仪器的反射。资料来源：NASA/Zach Denny

激光逆反射器阵列使激光测距成为可能--使用小束激光来探测物体之间的距离。从地面站发出的激光脉冲射向轨道卫星，然后反射到阵列上，再返回地面站。光线从地面到卫星再返回所需的时间可以用来计算卫星与地面之间的距离。

几十年来，激光测距和激光反向反射阵列一直是空间任务的一部分，它们目前安装在 ICESat-2（冰、云和陆地高程卫星 2 号）、SWOT（地表水和海洋地形图）和 GRACE-FO（重力恢复和气候实验后续行动）等地球观测卫星上，对这些卫星的运行至关重要。阿波罗任务期间，甚至在月球表面部署了用于激光测距的激光雷达。

梅尔科维茨说："激光测距仪是一种特殊的镜子。它们不同于普通的镜子，因为它们会将光直接反弹回原来的光源"。

正在戈达德进行测试的激光反射器，由扎克-丹尼拍摄。反向反射器（直径为 3.5 英寸）反射出的蓝色是 Denny 所戴手套的反光，而黑色则是他手机镜头的反光。图片来源：NASA/扎克-丹尼

对于激光测距，科学家们希望将光束引导回原始光源。为此，他们将三面镜子成直角放置，基本上形成了一个立方体的内角。激光反向反射器阵列由 48 个这样的镜角阵列组成。

戈达德空间大地测量项目的光学工程师扎克-丹尼说："当光线进入阵列时，由于这些90度的角度，光线会反弹并发生一系列反射，但输出角始终与进入时的角度相同。"

大地测量学是一门研究地球形状、重力和自转以及它们如何随时间变化的学科。对激光反向反射阵列进行激光测距是这项研究的关键技术。

由于地壳板块移动、冰雪融化和其他自然现象，地球表面不断发生着细微的变化。由于这些不断的变化，再加上地球并不是一个完美的球体，因此必须有一种方法来确定地球表面的测量值。科学家称之为参考框架。

这些阵列和激光测距不仅有助于精确定位轨道上的卫星，还能为地球上的地面站提供准确的定位信息。有了这些信息，科学家甚至可以找到地球的质量中心，也就是参考框架的原点或零点。

大地测量--激光测距参考卫星（如 LAGEOS激光地球动力卫星）--用于不断确定地球质量中心的位置，精确到毫米。这些测量对于科学家为卫星测量结果指定经度和纬度并将其标注在地图上至关重要。

海啸和地震等重大事件会导致地球质心发生微小变化。位于华盛顿的美国海军研究实验室的研究工程师琳达-托马斯（Linda Thomas）说，科学家需要精确的激光测距测量来量化和了解这些变化。

卫星对海平面上升等微妙而重要的地球现象的测量依赖于精确的参照系。海平面上升的全球长期趋势及其季节性和区域性变化每年仅有几毫米。如果科学家想要精确测量这些变化，参照系必须比这些变化更加精确。

美国国家航空航天局空间大地测量项目科学家弗兰克-莱莫因（Frank Lemoine）说："大地测量是我们日常生活的基本组成部分，因为它告诉我们我们在哪里，也告诉我们世界是如何变化的。"

编译来源：ScitechDaily