全球定位系統衛星最廣為人知的用途是幫助人們了解自己的位置，無論是駕駛汽車、船隻或飛機導航，或是徒步穿越偏遠地區。另一個重要但鮮為人知的用途是向其他地球觀測衛星發送訊息，幫助它們對地球進行精確測量。雷射反向反射陣列（LRA）正在推進全球定位系統（GPS）衛星的能力，這對於大地測量中精確測量地球至關重要。這項技術能夠精確追蹤地球的形狀、自轉和環境變化。

GPS 衛星透過向其他衛星傳遞訊息來支援地球測量。雷射反向反射陣列（LRA）正在改進這個過程，提高大地測量學–地球形狀和變化研究–的精確度。雷射反向反射陣列能夠進行精確的距離測量，這對於監測海平面上升和構造移動等全球現象至關重要。

美國國家航空暨太空總署（NASA）和其他一些聯邦機構，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（National Geospatial-Intelligence Agency），正在利用一套新的雷射反向反射陣列（LRA）將這些測量的定位精度提高到毫米級。

位於馬裡蘭州格林貝爾特的美國國家航空航天局戈達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理斯蒂芬-默考維茨（Stephen Merkowitz）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。”

該專案科學家和工程師團隊在今年稍早對這些陣列進行了測試，以確保它們能夠勝任任務，並能承受惡劣的太空環境。最近，這些新型雷射逆反射器陣列的第一套已運往科羅拉多州利特爾頓的美國太空部隊和洛克希德-馬丁公司，將被添加到下一代GPS 衛星中。

雷射逆反射器陣列通過測試儀器的反射。來源：NASA/Zach Denny

雷射逆反射器陣列使雷射測距成為可能–使用小光束雷射來探測物體之間的距離。從地面站發出的雷射脈衝射向軌道衛星，然後反射到陣列上，再返回地面站。光線從地面到衛星再返回所需的時間可以用來計算衛星與地面之間的距離。

數十年來，雷射測距和雷射反向反射陣列一直是太空任務的一部分，它們目前安裝在ICESat-2（冰、雲和陸地高程衛星2 號）、SWOT（地表水和海洋地形圖）和GRACE -FO（重力恢復和氣候實驗後續行動）等地球觀測衛星上，對這些衛星的運作至關重要。阿波羅任務期間，甚至在月球表面部署了用於雷射測距的雷射雷達。

梅爾科維茨說：”雷射測距儀是一種特殊的鏡子。它們不同於普通的鏡子，因為它們會將光直接反彈回原來的光源”。

正在戈達德進行測試的雷射反射器，由扎克-丹尼拍攝。反向反射器（直徑3.5 吋）反射出的藍色是Denny 所戴手套的反光，而黑色則是他手機鏡頭的反光。圖片來源：NASA/扎克-丹尼

對於雷射測距，科學家希望將光束引導回原始光源。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角。雷射反向反射器陣列由48 個這樣的鏡角陣列組成。

戈達德空間大地測量專案的光學工程師扎克-丹尼說：”當光線進入陣列時，由於這些90度的角度，光線會反彈並發生一系列反射，但輸出角始終與進入時的角度相同。”

大地測量學是一門研究地球形狀、重力和自轉以及它們如何隨時間變化的學科。對雷射反向反射陣列進行雷射測距是這項研究的關鍵技術。

由於地殼板塊移動、冰雪融化和其他自然現象，地球表面不斷發生細微的變化。由於這些不斷的變化，再加上地球並不是完美的球體，因此必須有一種方法來確定地球表面的測量。科學家稱之為參考框架。

這些陣列和雷射測距不僅有助於精確定位軌道上的衛星，還能為地球上的地面站提供準確的定位資訊。有了這些訊息，科學家甚至可以找到地球的質量中心，也就是參考框架的原點或零點。

大地測量–雷射測距參考衛星（如LAGEOS雷射地球動力衛星）–用於不斷確定地球質量中心的位置，精確到毫米。這些測量對於科學家為衛星測量結果指定經度和緯度並將其標註在地圖上至關重要。

海嘯和地震等重大事件會導致地球質心發生微小變化。位於華盛頓的美國海軍研究實驗室的研究工程師琳達-托馬斯（Linda Thomas）說，科學家需要精確的雷射測距測量來量化和了解這些變化。

衛星對海平面上升等微妙而重要的地球現象的測量依賴於精確的參考系。海平面上升的全球長期趨勢及其季節性和區域性變化每年僅有幾毫米。如果科學家想要精確測量這些變化，參考系必須比這些變化更精確。

美國國家航空暨太空總署太空大地測量計畫科學家弗蘭克-萊莫因（Frank Lemoine）說：「大地測量是我們日常生活的基本組成部分，因為它告訴我們我們在哪裡，也告訴我們世界是如何變化的。 “

編譯來源：ScitechDaily