月基观测地球等离子体层极紫外辐射特性

研究了地球等离子体层的极紫外辐射特性,结果表明从月球上探测时地球等离子体层顶位于35 081.75 km以内,等离子体层结构的典型尺度量级为637.85 km,He＋30.4 nm辐射强度为0.02~11.4 Rayleigh。讨论了月球轨道运动特性和月球表面环境特性,结果显示在一个月球公转周期内,总观测时间约为12个地球日,极紫外观测仪器对地指向的纬度最大偏移约为7°,经度最大偏移约为6°。对月面的极紫外辐射分析表明,太阳峰年月面散射的极紫外辐射强度约为2.0 Rayleigh,与地球等离子体层辐射量级相当。根据SELENE数据,描述了极紫外观测仪器所在的5个拟着陆区的地貌特征,证明了月面散射的极紫外辐射不会进入观测仪器,其中虹湾区的地形最为理想。根据Apollo-12和Apollo-15太阳风数据分析了月面质子和电子通量,结果显示在太阳峰年,一年内两者的总流量均为约5×1015cm-2。根据Apollo-12局地观测,在一个月球周期内,月面温度变化为80~390 K。得到的结果为月基极紫外观测仪器设计提供了重要依据。

基于月基观测的脉冲星可见性分析

针对月基脉冲星观测可见性问题,系统梳理了脉冲星可见性影响因素,提出了脉冲星可见性分析方法,在复杂月球运动模型的基础上,建立了一套简化的月基观测站坐标系转换模型。通过理论计算和仿真分析,论证了月基观测站位置、太阳规避角、地球遮挡、脉冲星方位对脉冲星可见性的影响,分析了月球典型区域脉冲星观测可见性特点。结果表明:月基观测站所在纬度对可见时间影响较大,高纬度地区有利于脉冲星的持续观测;太阳规避角与规避时长呈正比;月球正面区域会受到地球规避影响;脉冲星赤纬会影响太阳规避时长,赤纬越大,太阳规避时长越小。

基于月基观测几何的地球辐射能量模拟研究

月基平台以其整体性、多角度、长周期等特点,可望实现对地球整体辐射收支进行精确估算。为了评估月基平台对地球辐射能量的观测能力,建立了基于地月几何关系的一一映射算法,使用戈达德地球观测系统模型第五版(Goddard Earth Observation System model version 5,GEOS-5)数据作为模型输入,用以模拟月基视场地球向外辐射能量,从而形成对月基观测的地球辐射能量规律性认识。结果表明:月基传感器可以观测包括极区在内约178°跨度的经纬度区域;月球变轨道倾角将为地球高纬度地区提供更好的观测条件,极区观测高度角可达到60°。该模拟方法可以为观测地球向外辐射提供有效支持,为后续研究打下坚实的基础。

月基观测地球大气层顶辐射特性研究

针对月基辐射计参数设计的不确定性,研究了基于月基辐射计观测地球大气层顶的辐射特性。基于月基平台,将地球作为类点状辐射源进行观测,分析了月面不同位置观测特性、观测数据受观测几何影响以及观测采样特性。结果表明:月球轨道是变轨道倾角、变观测距离的,一个轨道周期内可以完成对地球全球的充分采样,满足对地球完全时空覆盖观测的条件;在月面中心区域观测获得的大气层顶辐射能量较高;建议的传感器动态范围在5.50×10^(-2)~8.50×10^(-2) W/m^(2)之间,观测时间采样间隔不大于4 h,累积采样周期为一个轨道周期(27.3 d)。得到的结果为月基辐射计参数设计与观测参数确定提供了重要依据。

电离层对月基对地观测平台辐射成像的影响

月基对地观测是一种全新的空间观测手段,其将月球作为搭载平台对地球进行持续长期观测,具有超大可观测范围、高测绘带幅宽、多角度成像、高时间分辨率和长使用寿命等优势。地球电离层位于地表以上至1000 km的高空区域,是影响月基对地观测成像质量的重要因素。为探索月基对地观测平台下热红外及微波辐射传输特性,研究开展了地球电离层对月基对地观测平台热红外和微波辐射成像影响分析的工作,并模拟不同纬度区域月基微波辐射亮温衰减值。首先根据Chapman分布定量化分析电离层电子浓度、折射率变化规律,再结合观测天顶角、碰撞频率等参数计算穿过电离层过程中不同高度处衰减及传输路径,最终采用积分方式获取热红外和微波在电离层中能量衰减量。结果表明,月基对地观测平台热红外和微波成像链路中电离层中造成的能量衰减与碰撞频率、热红外波长和观测天顶角有关,且地球电离层对月基对地观测平台微波成像的影响大于热红外成像的影响。此外,低纬度区域月基微波辐射受电离层衰减影响较大,月基微波亮温值降低约1.304 K;中纬度次之。

月基对地观测对月球基地选址需求分析

在月基对地观测优势和我国现有工程任务能力分析基础上,提出了我国月基对地观测的月球基地选址技术流程、选址原则及评价标准。在科学目标和工程任务能力约束下,对影响选址的主要因素,包括月面地形地貌、观测时间、通信能力、能源需求、月球温度环境、兼顾天文观测多重观测体系因素等进行分析,为我国未来月球基地选址提供参考依据。

月基地球等离子体层极紫外成像仪的光学设计

依据地球等离子体层在30.4nm的辐射特性,首次以月球为观测点进行地球等离子体层极紫外波段成像观测方法研究。确定了在月球表面使用的极紫外成像仪的技术参数,给出了视场角为15°、角分辨率为0.1°、入瞳面积>70cm2的极紫外成像仪的结构形式,采用单球面多层膜反射镜与球面微通道板光子计数成像探测器相结合的方式设计了极紫外成像仪。对设计的极紫外多层膜光学系统成像仪进行光线追迹,弥散斑半径分别为0.210mm(0°视场)、0.204mm(3°视场)、0.204mm(5°视场)、0.207mm(7.5°视场),对应的角分辨率为0.08°,弥散斑在不同视场角度基本均匀,其结果满足设计要求。该仪器可在月球表面工作,获得视场范围为15.0RE,覆盖地球等离子体层主要区域,空间分辨率为0.10RE,可以很好地观测到地球等离子体层主要细节,为从外部进行地球等离子体层观测提供了一种高质量的成像观测方法。

月基对地观测图像模拟与应用研究

针对现有模拟系统只是定性描述月基对地观测图像的问题,提出了一种基于严格成像模型的月基对地观测图像模拟方法,建立了像点和物点之间的定量关系,并将其应用于月基对地观测几何图像和辐射能量图像的模拟中。基于长时间序列的模拟结果,进一步分析和归纳了月球特有的轨道特性对几何图像以及辐射能量图像各自属性的影响。结果表明:基于严格成像模型的月基对地观测图像模拟算法具有可行性,准确地表达了图像特性随着月球轨道特性变化而变化的规律。该方法为月基对地观测图像的应用奠定了基础,对于后续月基不同类型的传感器的参数设计具有较大的参考意义。

月基SAR对地观测时空特性研究

月基雷达能对地表目标进行长时间大尺度范围的观测。根据美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)星历数据,分析了月基合成孔径雷达微波(Synthetic Aperture Radar,SAR)平台在不同场景时对地球在时间上和空间上观测性能的差异,结合实际地月相对运动的空间关系完成了月基SAR回波的仿真。结果表明:通过月基SAR平台,可以找到位于地表的零多普勒面交线,并以此为基础实现较长时间、较大地面范围的周期性观测,用SAR回波仿真验证了其可行性。通过研究月基SAR的观测,可以为后续研究诸如地表潮汐运动、极区海冰回弹提供基础。

月基对地观测研究现状与展望

在月球上布设遥感传感器能实现长期、整体、稳定的对地观测,完善现有系统的观测能力,尤其是能从地球系统外部来观测地球系统本身的演化过程,以及地球系统与外部的相互作用和影响。从科学目标、传感器技术、参数模拟和估算方法以及观测站选址4个方面详细论述了月基对地观测研究进展,围绕涉及的关键科学问题进行推进,并总结了针对传感器论证、任务设计、数据处理和信息提取提出的一系列新模型和新方法,对月基对地观测提出了一些发展建议。

基于JPL星历的月基SAR多普勒参数估算方法

月基合成孔径雷达(SAR)与传统低轨SAR相比,成像几何上存在成像距离长的特点,其多普勒参数估计方法也不同于常规的机载和星载SAR.基于喷气推进实验室(JPL)高精度星历,可以通过插值获取月心在地心惯性坐标系下的位置、速度和加速度以及月球天平动,然后经由坐标转换得到月面任意位置在地心惯性坐标系下的位置、速度和加速度.在此基础上,建立了两个二次方程组,第1个方程组的解表示任意星下点离线角和斜视角情况下的波束矢量,第2个方程组求得波束矢量的模值,以此解算地面波束中心的坐标.结果表明,月基SAR的波束角需沿轨不断调整,而且天线放置的位置也会对多普勒参数产生明显影响.

地球系统空间观测:从科学卫星到月基平台

五十多年来,全球性对地观测已形成强大的技术能力和系统体系,在不同应用领域发挥了重要作用。随着对陆地、大气、海洋研究的深入,地球系统科学和全球变化研究正在向空间对地观测技术提出新的重大战略性需求。本文描述了面向全球变化应对、发展全球变化系列科学卫星的方案;提出面向宏观地球科学现象探测、构建月基对地观测系统的设想;同时,作为宏观地球科学现象研究的一个方向,论述了利用地球科学卫星和月基对地观测技术开展全球变化"三极"对比研究的思路。

地球辐射收支探测的目标方向订正模型构建:从地球卫星到月基平台

监测地球辐射能量收支的时空变化有助于增进我们对全球气候变化的理解。地球反射的短波辐射与发射的长波辐射是地球系统与外界进行能量交换的重要组成部分,也是地球辐射收支观测的主要参量。地球辐射探测仪是探测大气层顶辐射收支能量平衡参数的专用仪器。地球目标方向订正模型(Angular Distribution Models,ADMs)专指校正大气层顶地球-大气系统目标辐射各向异性的一系列非均匀因子,它是将卫星或月基观测的地球目标反射及发射宽波段辐亮度转换为辐射通量的有效途径。ADMs模型构建和算法优化直接影响基于空间观测推算地球辐射收支的最终解算精度。本文围绕地球辐射ADMs模型展开,回顾了过去几十年来ADMs模型的发展历程,着重介绍了目前应用于Terra与Aqua卫星的云与地球辐射能量系统(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System,CERES)的业务化ADMs模型,分析了地球静止卫星与月基对地观测在地球辐射ADMs模型中的优势、问题与潜力。基于上述综述与分析,讨论星载与月基地球辐射ADMs模型进一步优化的决定因素。

GSSR成像雷达应用进展及其对我国深空探测的启示

美国GSSR(Goldstone Solar System Radar)成像雷达系统在国际深空探测中扮演重要的角色,已广泛应用于月球地形测绘、火星探测、小行星轨道测定和深空探测器测控等。梳理了GSSR系统研究背景和发展现状,分析了其系统组成及对近地天体主动探测的观测原理,并着重介绍了GSSR在深空探测领域的最新应用进展,最后探讨了GSSR成像雷达对我国深空探测任务和月基雷达对地观测研究的启示。

雷达遥感六十年：四个阶段的发展

雷达遥感问世60年来已经历了4个阶段的发展,其在对地观测中的作用正日益凸显,已经广泛应用于不同领域。4个阶段分别是单波段单极化阶段,多波段多极化阶段,极化和干涉阶段,以及以双/多站或星座、高时序高分宽幅、3维成像为代表的新阶段。本文结合作者长期在雷达遥感领域的研究经历,总结和回顾了雷达遥感的阶段发展和具有里程碑式的代表性技术;从观测技术、数据处理和应用角度阐述了新阶段雷达遥感的发展趋势,以及雷达遥感与人工智能和大数据结合的思考;最后着眼未来,介绍了月基雷达对地观测平台的前瞻性研究。