月球激光测距（LLR）是地月间距测量精度最高的技术。其中，月球激光反射器（LRRR）是实现高精度月球激光测距的关键设备。中国计划在月面放置有人部署的新一代月球激光反射器，为使反射器有效工作，需调节反射器的俯仰角、方位角，使其指向对准平均地球。本文设计了一套算法，用于计算月球激光反射器指向对准所需调节的角度，同时分析了部署时间偏差、位置偏差对指向对准的影响。月球激光反射器指向对准偏差估计值约为2.7°，最大不超过5.0°，可以满足反射器对准精度优于5.5°的需求。设计的算法和开展的分析，可以为未来中国月球激光反射器部署任务提供参考。

月球激光测距（LLR）极大推动了地月科学、月球空间基准以及引力物理的发展。为了充分利用LLR数据，依据目前广泛应用的国际地球自转服务2010（IERS 2010）规范对固体潮、海潮、大气延迟和广义相对论效应进行建模，并建立了LLR观测模型。利用该模型检核了国际激光测距服务（ILRS）提供的所有LLR观测数据，生成的月球角反射器预报文件CPF（Consolidated prediction format）支持云南天文台LLR的独立观测。将INPOP19a、DE430、EPM2017历表作为观测模型输入并检核LLR标准点数据，结果表明，相比其他历表，INPOP19a历表与实测数据更接近。

为了进一步提高地月激光测距精度，新部署单体大孔径的激光角反射器是下一代月球角反射器的主要选择，由于单口径角反射器相比阵列式反射器面积要小，反射器指向要求更高。针对这一问题，本文在不含二面角误差的理想角反射器前提下，通过数值模拟的方法分析了角反射器的有效衍射区域随激光光束入射条件的变化规律。在忽略大气影响的简化条件下模拟了地面3个激光测月台站对新布置角反射器的观测情况，通过Levenberg-Marquardt方法优化了角反射器的指向。结果表明，选择合适的指向可以将反射器有效衍射面积提高到80%以上，同时得到低纬度地面台站比高纬度台站更有利于观测的结论，提示我国应当充分利用已建成的两个低纬度激光测月台站，以期在未来地月激光测距和地月科学研究中发挥更大的作用。

根据国际上公开发表利用的1969—1972年美国Apollo 11、14、15宇航员放置在月球上的三个角反射器以及1970—1971年苏联无人登月车放置的两个角反射器进行的月球激光测距的论文和技术文献,讨论了月球激光测距中的几个关键物理和技术问题,主要包括:1)角反射器阵列指向与其月面位置的精确定位;2)角反射器激光回波信号的确认;3)接收信号强度与信噪比;4)测距结果的精度;5)满月时为什么不适于测距;6)地球大气对激光测月及其精度的影响。现有技术文献对一些关键的技术细节描述尚不完备,判定接收信号来自角反射器对激光的反射缺乏直接的物理证据,现在声称的距离测量精度与激光本身特性的关系尚需进一步分析。

以强度起伏Gamma-Gamma分布模型为基础，研究月球激光测距自适应光学系统的回波统计性质。建立了包含整个测距光束传播过程的光场强度或回波光子数涨落的完全统计描述即概率密度函数的具体表达式。以此为基础，计算了一般条件和场景下激光测月的回波光子数平均值、起伏方差、概率密度函数、累积概率函数等一系列统计量，从而获得系统性能改善的基本的定量估计。

为了提高月球激光测距试验中的回波光子数,考虑将自适应光学技术应用于云南天文台1.2 m光学望远镜,以实时校正望远镜跟踪误差和由于大气湍流的影响而造成的到达月球表面的激光束的扩展与漂移效应。针对月面为低对比度扩展源的特点,利用互相关函数法及绝对差分算法对采集的月面图像进行了大气波前倾斜量的提取。模拟了未去除和去除大气波前倾斜量的月面长曝光图像,发现去除大气波前倾斜量后的图像对比度较未去除有了相应提高。研究表明:月球激光测距试验中,绝对差分算法更适合用来提取大气波前倾斜量。