月基對地觀測對月球基地選址需求分析

賈瑛卓 鄒永廖

(1 中國科學院國家天文臺，北京 100012) (2 中國科學院大學，北京 100049)

月基對地觀測對月球基地選址需求分析

賈瑛卓1,2鄒永廖1

(1 中國科學院國家天文臺，北京 100012) (2 中國科學院大學，北京 100049)

在月基對地觀測優(yōu)勢和我國現(xiàn)有工程任務能力分析基礎上，提出了我國月基對地觀測的月球基地選址技術流程、選址原則及評價標準。在科學目標和工程任務能力約束下，對影響選址的主要因素，包括月面地形地貌、觀測時間、通信能力、能源需求、月球溫度環(huán)境、兼顧天文觀測多重觀測體系因素等進行分析，為我國未來月球基地選址提供參考依據(jù)。

航天器；月基對地觀測；月球基地；選址；影響因素

1 引言

月球因其獨特的空間位置、環(huán)境、能源與礦產資源等應用前景，一直是人類開展深空探測活動的首選目標。通過50多年100多次的探月活動，隨著航天技術的不斷發(fā)展，人類已逐步具備在月球上建立基地進行月基對地觀測的技術能力。全球變化的月基觀測，其內涵是在月球上布設遙感器，利用月球作為對地觀測平臺，對全球尺度的科學現(xiàn)象進行研究。要想進行月基對地觀測，首先需要研究月基對地觀測平臺的月球基地選址，選址是一項基于科學目標、工程能力和安全性等準則的決策過程[1]。建立月球基地，通過月基觀測平臺，架設遙感器，對地球進行觀測，可以對地面的氣候變化、生態(tài)演化、環(huán)境污染和各種自然災害進行高精度的觀測和監(jiān)視，為人類的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

由于月球沒有大氣層，處于超高真空度狀態(tài)，因而月球表面不會有大氣吸收、反射與散射等對光學探測儀器的干擾。月球現(xiàn)階段地質構造非常穩(wěn)定，沒有全球性的磁場，月球表面還具有高潔凈、弱重力的特征[2]。所有這些，都是在對地觀測衛(wèi)星上無法達到的建造高精度望遠鏡的理想條件。與星載探測設備相比，利用月基探測平臺，開展對地觀測有如下優(yōu)勢：①星載光學望遠鏡由于受到軌道高度的限制，只能對地球較小區(qū)域內的目標實現(xiàn)長期、連續(xù)的觀測。如果將其安裝在月球表面，很小的視場即可對地球進行全球觀測，即使安放在月球的赤道地區(qū)，由于能量供應的原因無法在夜間進行觀測，但是月球的自轉周期長達27天，在13個地球日的時段內仍可對廣闊的天區(qū)進行連續(xù)觀測。②月球表面為固態(tài)，且月震活動極弱，與星載探測設備相比，月基探測設備的姿態(tài)控制相對容易，控制精度也可以比星載設備高很多，從而保證觀測質量的精度和穩(wěn)定性[3]。③衛(wèi)星由于星下點的不斷變化，星載設備如要進行數(shù)據(jù)的連續(xù)交互需要多個地面站，且實時測控更需要在全球廣泛布站。而月基觀測設備如果建在月球正面，多數(shù)情況下一個至兩個地面站便可實現(xiàn)長達數(shù)小時甚至十余小時的連續(xù)測控，即使今后需實時測控，對地面站數(shù)量的要求也比衛(wèi)星少很多。④由于軌道的變化和能源供應問題，一般的低軌天文小衛(wèi)星的壽命只有2～3年，月基對地觀測平臺如果解決了能源問題，它的工作壽命則會長得多。

在月球上布設遙感器對地球上的科學現(xiàn)象進行全面、持續(xù)、長期觀測是一種新概念空間觀測手段。目前我國在月球探測、衛(wèi)星對地觀測的理論研究和應用方面積累了大量的成果和經驗，嫦娥三號已經成功著陸月球表面進行探測，并開展了地月空間環(huán)境的研究，是月基對地觀測平臺研究的基礎和參考依據(jù)。在月基對地觀測儀器設計方面，搭載于嫦娥三號探測器的極紫外相機對地球等離子體層變化進行觀測，這是國際上首次在月表著陸的極紫外波段的成像儀器，對地球周圍的等離子體產生的輻射進行觀測。我國的星載對地觀測系統(tǒng)已經涵蓋了對固體地球、全球變化、物質能量平衡等研究的各個方面。目前國內對地觀測機構已經擁有天空地一體化遙感數(shù)據(jù)獲取與處理能力，遙感與空間地球信息科學基礎研究能力，數(shù)字地球科學平臺與全球環(huán)境資源信息分析能力，可為月基研究提供理論基礎和經驗積累。

月基對地觀測的月球基地的選址是實現(xiàn)月基對地球宏觀科學現(xiàn)象觀測的首要前提，選址是基于科學目標、工程能力、資源條件和任務安全性等準則下的一個選擇過程，影響選址的因素非常復雜，必須建立一套科學的選址方法和原則，對多個候選地點進行分析評估，以確定最終月基對地觀測的月球基地位置。本文在月基進行對地觀測優(yōu)勢和我國現(xiàn)有的工程任務能力分析的基礎上，總結了月基對地觀測的月球基地選址的流程、選址原則及評價標準，進行了較為詳細的選址影響因素分析，并對目前國際上比較關注的月球極區(qū)進行初步的調查，認為月球南極的阿蒙森(Amundsen)地區(qū)較為適合作為月基對地觀測的基地。

2 月基對地觀測的月球基地選址的技術路線

2.1 總體流程

月基對地觀測的月球基地選址流程包括：①充分調研國外月球軟著陸探測著陸點選擇和相關地外天體選址的情況，分析選址區(qū)域的位置特點和發(fā)展趨勢，總結選址的原則和方法，為確定我國月球基地的選址流程和選址方法提供依據(jù)。②進行月基對地觀測對月球基地選址的影響因素分析，并根據(jù)分析結果初步確定月球基地選址集合，并根據(jù)實際任務要求初步確定各影響因素的權重。③利用已有的月球圖像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、化學成分數(shù)據(jù)和地質解譯數(shù)據(jù)等，建立初步選址區(qū)域的月球形貌、環(huán)境等方面的數(shù)據(jù)庫，并進行評估指標的量化處理，通過空間分析計算，并進一步分析初選區(qū)科學目標可實現(xiàn)性和技術可行性，對初選區(qū)域進行評估。④建立優(yōu)化選址模型和評估矩陣，并利用合適算法進行求解，在綜合科學目標、技術可行性和各影響因素權重指標的條件下，最終確定候選基地位置。

2.2 選址原則與評價標準

月球基地選址研究是需要制定靈活的選擇策略和原則，同時應綜合考慮對各影響因素賦予的權重因子，利用科學的方法和原則最終確定月球基地的位置。地形條件、可觀測時長、能源需求、環(huán)境條件和通信條件是主要考慮因素，另外，建立系統(tǒng)化的月基對地觀測基地的體系建設，發(fā)展可對地、對天聯(lián)合多重觀測體系，是未來發(fā)展的需要，在選址過程中也要重點考慮。

根據(jù)國外項目經驗，確定月基對地觀測的月球基地的選址原則為：①技術上可行，保證人員和設備的安全性和使用性，最大程度地滿足人類利用月球進行探測的能力；②科學目標可實現(xiàn)，基于一個大規(guī)模數(shù)據(jù)庫的靈活的選址策略，盡量能夠滿足多學科要求[4]。

月基對地觀測的月球基地選址的影響因素包括操作約束、觀測時長、通信能力、能源需求、月球環(huán)境、系統(tǒng)性多重觀測體系等6個方面。通過對這些影響因素進行分析，提出月基對地觀測的月球基地初選位置集合?；诔踹x位置的科學潛力、可操作性和資源環(huán)境等影響因素的進一步分析，評估初選位置的價值，確定權重因子。對初選區(qū)進行多目標優(yōu)化選址，最終確定適合的位置。權重因子、選址策略和大規(guī)模的數(shù)據(jù)庫與選址結果密切相關，例如，如果某個區(qū)域一個特定資源對實現(xiàn)任務目標來說是絕對的需求，那么這個區(qū)域，對于資源的含量和生產來說就是高度約束，如果沒有對資源使用策略和資源重要性的影響因素進行分析，那么進行選址優(yōu)先級的判斷就比較困難。

3 月基對地觀測對月球基地選址的影響因素分析

3.1 月球地形地貌影響

操作約束主要考慮月球地形地貌對建立月基觀測平臺的影響，如果是多個觀測平臺，還需要考慮多個平臺間互相通信及監(jiān)視的能力。與地球相比，月球的地形地貌相對簡單，其整個表面分為月海和高地兩大地理單元。月海是月面上寬廣的平原，地面平坦，最大坡度17°，一般坡度在0°～10°。月球上有22個月海，直徑各不相同，大的如風暴洋，直徑約為1740 km，小的如泡海，直徑約160 km。月海的總面積約占月球表面積的17%，除東海、莫斯科海和智海位于月球背面外，其他19個月海都分布在月球正面，約占月球正面面積的一半。在月球正面還有約一半的表面是月球高地，在月球背面，高地的面積則大得多。高地地區(qū)較月海地區(qū)起伏大，最大坡度約為34°，一般為0°～23°。月球表面還有眾多起伏不平、大小不一的環(huán)形坑，統(tǒng)計表明，月面上直徑大于1 km的環(huán)形構造總數(shù)在33 000個以上，大多數(shù)環(huán)形坑的周圍環(huán)繞著高出月面的環(huán)形山，有些環(huán)形坑四周還有放射網狀輻射線[5]。

基地所在位置需要有一個較為平緩的區(qū)域用于觀測平臺的建立和儀器的安裝使用，一個合適的山坡或平整的月殼會給光譜儀等設備提供一個潛在的設計優(yōu)勢，另外還應該保證有些儀器距離幾千米配置一個，以保證儀器間的干擾降到最小。在月球表面進行平臺和儀器的操作是非常復雜的，需要通過研究一個適宜的、安全有效的標準保證設備的可操作性，一些月球的基本環(huán)境數(shù)據(jù)，例如風化層厚度等，會對操作的靈活性產生影響。月球地形地貌包括隕石坑、巖石的分布密度和大小等情況，地形是否平坦，也直接影響月球基地的構建和月面探測器的著陸起飛等活動。

3.2 觀測時間

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，表面處于超高真空狀態(tài)，由于其公轉和自轉的周期相同，月球一面總是朝向地球。能滿足對地球上的同一地區(qū)進行長時段、可變視角的快速觀測，也能同時觀測到地球半球的全景。由于月球的距離達38萬千米，月基對地觀測為大尺度地球科學現(xiàn)象的新認識帶來可能。月基對地觀測基地位置應該位于月球正面，只有在月球正面才能保證儀器的對地球指向性。

圖1 月球和地球赤道與其軌道幾何關系圖Fig.1 Geometrical relationship between the moon and the earth’s equator and its orbit

月球圍繞地球質心作平面橢圓軌道運動稱為白道，月球和地球的赤道與其軌道的幾何關系如圖1所示。從月球極區(qū)對地球進行觀測，地球升起的最大高度角約為7°，落下的最大高度角約為-7°，這個周期持續(xù)的長度是一個恒星月27.3天，地球保持連續(xù)可見大約是13天，這對某一地球宏觀科學現(xiàn)象的連續(xù)觀測是很有好處的。如果在除極區(qū)以外的地區(qū)，由于太陽高度角隨月球緯度不同呈現(xiàn)周期變化，連續(xù)觀測時間也隨之變化。

3.3 通信能力

月球基地選址必須能使其與地球進行方便可靠的通信，使觀測儀器數(shù)據(jù)能夠發(fā)回地球，供科學家分析和研究。月球背面不具備與地球進行直接通信的能力，若在月球背面設置月基觀測平臺，則需要發(fā)射一顆中繼衛(wèi)星用于進行月基觀測平臺與地球的數(shù)據(jù)通信[6]。若將月基觀測平臺設在月球正面，由于地球的自轉影響，單個地面設施一般可以連續(xù)覆蓋月面10 h左右，如果需要對月球正面月基對地觀測基地進行連續(xù)可靠的通信，可以有兩種解決途徑：①利用全球分布的測控臺站(終端)以及任務操作和支持網絡；②利用地球軌道附近的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星星座。

3.4 能源需求

能源需求主要考慮月基對地觀測平臺和觀測儀器設備所需的電能供應問題[7]。月基對地觀測的特點要求觀測儀器能夠長時間連續(xù)對地球宏觀科學現(xiàn)象及其變化進行長期連續(xù)觀測，必須保證有能夠支持儀器長期工作的充足的電能。儀器的電能供給可以通過兩種途徑解決：①采用大型太陽能電池陣來保證月基觀測平臺和觀測儀器設備長期工作的能源需求；②通過核同位素方式進行電能供給。如果采用太陽能電池陣的方式，太陽翼發(fā)電功率就和月球基地緯度位置相關，緯度越低，當?shù)卣绲奶柛叨冉窃酱?，有效太陽輻照度越大，對于提高太陽翼的發(fā)電功率越有利。

圖2給出了月表有效太陽輻照度隨月面緯度的變化關系，本文月面經緯度采用1974年以前的定義，即以月球中心指向地球中心的方向上的經線為本初子午線，沿逆時針方向為0°～180°，順時針方向0°～-180°；緯度以月球赤道為0°，北半球為正，南半球為負[8]。由圖2可知，月表有效太陽輻照度變化規(guī)律基本上是以月球赤道為對稱軸，赤道區(qū)域有效太陽輻照度最大，向月球兩極逐漸減弱。極區(qū)一年有效太陽輻照度約為38.0 W·m-2，遠小于月球赤道地區(qū)平均太陽輻照度[9]，因此如果要在月球兩極設立月球基地，需要考慮電能供應的問題，必要時可以同時采用太陽電池陣和核能供電兩種方式。如果只采用核同位素供電的方式，則不需要考慮對選址的影響。

圖2 不同經度月表有效太陽輻照度隨月面緯度變化曲線Fig.2 Effective solar irradiance of indifferent the longitudes changing with the selenographic latitudes

3.5 月球溫度環(huán)境

圖3 月球表面不同緯度地區(qū)在一個月球日內的溫度變化Fig.3 Temperature changing with the selenographic longitudes in a lunar day

由于月球表面沒有大氣的熱傳遞，月表熱環(huán)境的特點是溫差大、晝夜過渡期間溫度變化快，白天受陽光照射的地方，平均溫度可高達約400 K，而在太陽不能照射到的陰影區(qū)和夜晚期間的月球表面溫度為90 K[10]。月球赤道地區(qū)平均溫度高、溫差變化較大，而極地地區(qū)長期處于低溫環(huán)境，太陽高度角小且溫差變化幅度小。隨著緯度不同，月面不同位置的太陽高度角變化情況不同，任意緯度處的最大太陽高度角是其緯度的余角，最小太陽高度角為0°，太陽高度角變化越大，月面的溫度變化范圍越大，對熱控越不利。月球表面不同緯度地區(qū)在一個月球日內的溫度變化如圖3所示，從圖中可以看出，在赤道地區(qū)一個月球日內溫度變化范圍最大，從-180℃到+130℃，隨著緯度升高，溫度變化范圍逐漸減小，在緯度為80°時，溫度變化范圍從-180℃到-20℃左右，溫度變化范圍越小，對探測器和觀測設備實施熱控越有利。因此建立月基對地觀測基地需要選在溫差小、溫度變化慢的區(qū)域，以減輕熱控系統(tǒng)的壓力，同時月基對地觀測平臺必須進行熱設計，提供適宜恒定的環(huán)境溫度，保證設備正常工作。表1列出了在一個月球日內月球表面不同區(qū)域的平均溫度及其變化幅度?？梢钥闯?，在如此殘酷的溫度條件下，無論是月基觀測平臺還是觀測設備，都必須依靠高效的熱控系統(tǒng)將自身的溫度控制在探測儀器的工作溫度范圍內。

表1 月球表面不同區(qū)域平均溫度及其變化幅度

3.6 兼顧天文觀測多重觀測體系因素

月基對地觀測的月球基地選址需要考慮系統(tǒng)化和多重觀測體系的發(fā)展方向。在月基對地觀測平臺建立的初期，可以在一個最適合的地點設置觀測基地，隨著研究的進行，可以在月球基地附近多個區(qū)域設置觀測平臺，發(fā)展可對地觀測、對空間天文觀測和對空間物理學探測的聯(lián)合多重觀測體系，對更多的科學目標進行探測，最終形成一個月基科學觀測基地網。在進行多重觀測體系選址和規(guī)劃過程中，需要注意各個觀測平臺位置和月球基地位置的關系，要有足夠的距離，保證有些儀器需要多臺布置以形成觀測陣列網，同時保證將儀器干涉和光學污染降到最小，月球基地和各觀測平臺之間要有互聯(lián)進入的通道，保證月球基地不能被地形所孤立。

對天文觀測而言，月球基地位置的要求主要是基于天文觀測儀器的視場需求來決定的。對于光學望遠鏡和甚低頻干涉儀來說，月球基地的選址需進行地形、通信和輻射防護方面的考慮。如果月基天文平臺位于月球正面，應該保證：天文平臺在重要的觀測時段，對麥哲倫星云的觀測高度角在15°以上；天文平臺位于平月球邊緣的5°～10°之內和赤道10°以內，以保證地球可以進入儀器視場，并總是在接近地平線的地方，保證光線對觀測的影響最小(東經和西經81.4°經線是地球總是可見的界線)[1]；與地球的視域連線保證可以進行對地通信；可以利用甚低頻探測儀進行地球極光觀測；可以進行日食觀測。

對于空間物理探測來說，既包括對太陽觀測也包含了地月空間物理探測。對于太陽觀測的月球基地位置需求準則有：太陽成像儀、太陽磁場觀測儀和太陽常數(shù)觀測儀應該放置在月球赤道及其附近區(qū)域，其中太陽成像儀應該放置在月球赤道±2°以內；在月球表面選擇一個大的平原區(qū)建設大陣列和觀測平臺，至少能夠設置1.5 km焦距長度的太陽成像儀。對月地空間物理的探測需要考慮地球輻射的影響，在經度為180°，緯度為0°的位置點，更利于地球聲波的磁場特性觀測；一些觀測儀器對于背景輻射噪聲及其敏感，特別是月球風化層克里普礦物(KREEP)元素的伽馬射線輻射，會對觀測儀器造成影響，因此月球基地選址應該考慮在一個地球輻射背景較低的區(qū)域或者在一個低KREEP區(qū)，以減少輻射影響。

4 月球極區(qū)特點及初步評價

目前，美國國家航空航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)和日本都在其月球探測計劃中構想并設計在月球極區(qū)建立月球基地和國際月基天文臺。月球極區(qū)因有充足光照條件、特殊地形特點和地理位置以及水資源等因素，是未來月球著陸區(qū)和建設月球基地的最佳選擇之一[11]。極區(qū)建立月球基地的優(yōu)勢有：①有持續(xù)的自然能源供應區(qū)，月球極區(qū)永久光照的山頂，最佳持續(xù)光照時間可達95%，可提供持續(xù)的太陽能給探測器的太陽翼進行電能轉化，不需要考慮放射性同位素熱電式發(fā)電形式。②良好的溫度條件，月球極區(qū)的溫度平均220 K±10 K(-50 ℃±10 ℃)，相對于月球其他地區(qū)，具有良好的熱環(huán)境，不需要考慮長達15天左右的月夜嚴寒，減少了熱控設計難度。③易進行輻射防護，月球極區(qū)，撞擊坑極為密集，這為防輻射措施提供了天然的條件，如一個年輕的直徑20 m的撞擊坑，其底部就可以通過撞擊坑壁得到充分的防護。④在永久陰影區(qū)可能存在的水冰，月球永久陰影區(qū)存在水冰的問題不但是重要的月球科學問題，也是未來月球基地水資源供應的選擇之一。

月球南極的阿蒙森地區(qū)，屬于高地類型，坐標(88°S、60°E)，月球正面，極區(qū)，在天平動周期內，在地球可視范圍，容易與地球通信。位于南極，有半個天區(qū)可見，可以作為天文臺，進行空間天文觀測，有撞擊坑，適合射電天文觀測。因此可認為，月球南極阿蒙森地區(qū)較為適宜作為月基對地觀測的選址點。

5 結束語

月基對地觀測的首要任務是在國家戰(zhàn)略目標的框架內，依照科學目標和工程任務能力對月基對地觀測的月球基地進行選址，選址需要在遵循一定原則的情況下，開展對操作約束、觀測時長、通信能力、能源需求、溫度條件、系統(tǒng)性多重觀測體系等6個選址影響因素的分析。為了確定既能滿足科學目標又能保證安全的月球基地位置，科學家和工程技術人員還有很多工作要做，從美國成功實施阿波羅登月計劃至今，人類對月球表面形態(tài)、礦物分布和空間環(huán)境有了一定認識，但是距離真正實施月基對地觀測平臺的建立難度還是相當大的。同時，如何根據(jù)不同科學需求對各備選基地位置的影響因素賦權重因子也是難點之一，需要廣泛征求意見。

References)

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(編輯：李多)

Research on Lunar Site Selection for Lunar Based Earth Observation

JIA Yingzhuo1,2ZOU Yongliao1

(1 National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012,China)(2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

The paper analyzes the advantages of lunar based large-scale earth observation and the engineering task ability of our country,and then proposes lunar base-station site selection’s principle and guideline,technology process and evaluation criterion for lunar large-scale earth observation. Under the circumstances of constraints of the scientific object and engineering task ability,the main factors are analyzed for the site selection,which includes lunar surface terrain,observation time,communication ability,energy condition,lunar temperature condition,astronomical observations multiple factors,it can provide the reference scheme for our country future lunar site selection.

spacecraft; lunar based large-scale earth observation; lunar base; site selection; influencing factor

2016-06-27；

2016-08-25

國家自然科學基金(41590851)

賈瑛卓，碩士，助理研究員，從事月球與行星科學方面研究。Email: jiayingzhuo@bao.ac.cn。

V476.3

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.018