一种基于月基对地观测光学覆盖度的月球基地选址方法

技术领域

本发明属于月基对地观测遥感领域，设计一种月球基地选址方案，具体涉及一种基于月基对地观测光学覆盖度的月球基地选址方案。

背景技术

近年来，人们越来越认识到需要将地球作为一个整体进行综合观测，需要提高大尺度对地观测能力，开拓新的对地观测平台。月球是距离地球最近的自然天体，它具有观测长期一致性、整体性和稳定性的优势，有可能真正实现从地球系统科学角度，对全球多圈层相互耦合的一系列关键的科学问题给出全新的解答。同时伴随着月球探索的兴起，月球基地的建设规划也被提上日程,从而为探索月球以及开展基于月球的对地球及太空的观测打下坚实的基础。月球基地的选址问题应运而生，科学家们已经开展了一系列的研究与探讨，但是立足点不同，所以选址方案也各有差异(M.Kayton,“Engineering of an observatoryon the far side of the moon,”IEEE Aerosp.Electron.Syst.Mag.,vol.23,no.6,p.84982,Jun.2008；E.Detsis,O.Doule,and A.Ebrahimi,“Location selection andlayout for LB10,a lunar base at the Lunar North Pole with a liquid mirrorobservatory,”Acta Astronaut.,vol.85,pp.61–72,Apr.2013)，本发明将着重从对地球光学覆盖度的角度，提出月球基地选址方案。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于月基对地观测光学覆盖度的月球基地选址方案，能够在月球表面进行基地选址时，实现光学对地覆盖度的最优化。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

整个技术流程主要分为三个步骤，首先对美国喷气推进实验室的DE系列星历数据进行处理，得到实时的日地月位置信息，并利用相关坐标系统的转换，进一步得到同一参考系下的日地月位置和姿态信息；接着建立月基对地观测几何模型，获取相应的几何特征；然后结合几何模型，建立月基对地观测的光学覆盖度的计算方法，并分析月球基地的选址对该覆盖度的影响，进而提出月球基地的选址方法。

第一步、星历数据解算与坐标系转换

具体为解算美国喷气推进实验室的DE430星历文件，并进行相应的坐标系统的转换，得到地心天球坐标系下日地月的位置和姿态信息。

1-1)读取美国喷气推进实验室的DE430星历头文件和数据文件

1-2)进行儒略时间与协调世界时的转换，并对星历文件进行插值

1-3)计算日地月的坐标

1-4)进行相应坐标系统的转换，统一为地心天球坐标系，得到日地月的位置和姿态信息

第二步、建立月基对地观测几何模型

具体为利用日地月的相对位置关系，建立月基对地观测几何模型，分析相应的月基对地观测的覆盖度特征。

第三步、计算月基对地观测的光学覆盖度并分析月球基地选址影响

具体为结合几何模型，建立月基对地观测的光学覆盖度的计算方法，并分析月球基地的选址对该覆盖度的影响。

3-1)利用第二步中几何模型，建立月基对地观测光学覆盖度的计算方法

3-2)分析在月表不同位置建立月球基地时，月基对地观测光学覆盖度的变化情况

3-3)提出相应的月球基地选址方法

附图说明

图1是月基对地观测几何模型。

具体实施方式

首先从美国太空总署喷气推进实验室获取DE系列星历数据，兼顾到章动和天平动的影响，选择利用DE430作为原始数据进行计算(W.M.Folkner,J.G.Williams,D.H.Boggs,R.S.Park,and P.Kuchynka,The Planetary and Lunar Ephemerides DE430and DE431,vol.196.2014)。主要的数据处理过程如下：(1)首先读取星历头文件和数据文件，将ASCII二进制文件转化为BIN文件，同时对每块天数进行检查，并对上下块之间的时间不连续性进行校验，重复块应忽略，最后根据时间顺序依次将各个数据块写入BIN文件中，同步写入数据头文件；(2)JPL星历采用的是儒略时间，根据该时间顺序，计算数据块号，接着读取数据块，然后插值计算各天体的位置和速度，同时计算坐标个数，每段时间，段号，段的起点位置以及单位化的切比雪夫插用的时间，利用这些参数和切比雪夫插值算法进行计算，从而计算太阳系坐标系中的行星及太阳坐标，其中地球以太阳质心坐标系给出，月球以地心坐标系给出；(3)在第二步计算得出月球地心坐标、天平动和章动的基础上，计算地球和月球的太阳系质心坐标。以太阳质心坐标为原点，将地月质心坐标归算为地球坐标，然后把月球的坐标由地心转换为太阳系质心。这样就实现了获取实时的日地月位置信息。接着利用相关坐标系统的转换，包括太阳天球坐标系、地球天球坐标系、月球天球坐标系、地球协议坐标系以及月球主轴参考系之间的转换，从而实现了坐标系统的统一，并且能够得到实时的地球和月球的姿态信息(P.Gérard and B.Luzum,“IERS Conventions(2010),”Bur.Int.DESPOIDS Mes.SEVRES,pp.1–179,2010)。

接着建立月基对地观测的几何模型，假定地球和月球为球体，如图1所示。O_m是月球基地，即月球表面的观测站。B_m是月心，O_e是地心，O_s是太阳。M₁和M₂是过O_m与地球剖面的切点，它们表征着月基对地观测的边界范围。而S₁与S₂是太阳照亮地球范围与该地球剖面的边界交点，L是O_m与O_e连线与地球剖面的交点，它也是月球观测点的星下点。那么地球表面被太阳照亮区域与月球可观测到区域的交集，也就是图上阴影区域，才是实际上月基对地观测真正能观测到的区域。

由于月基对地观测尺度较大，与传统星载机载传感器不同，因此这里定义月基对地观测的光学覆盖度为可观测到的有效覆盖区域占半球表面积的比例。并且，月基对地观测视角较小，这里做近似考虑，认为月基对地观测为半球观测，而太阳照射到的地球表面也为一个半球，那么有效的能够观测到的覆盖区域则为两个半球的重叠区域(这里做简化考虑，忽略日食影响)。为了表征两个半球的法线方向，也就是月球表面观测站和地心以及太阳球心和地心的连线方向，利用星历数据和坐标系转换，可以得到同一个坐标系下(以地球天球坐标系为例)月表观测站的坐标O_m(x₁,y₁,z₁)和太阳球心坐标O_s(x₂,y₂,z₂)，那么两个法线方向即为：

再利用余弦定理，这两条法线之间的夹角θ可以得到：

c＝x₁x₂+y₁y₂+z₁z₂

θ＝arccos(c/a/b)

那么月基对地观测的光学覆盖度可以计算得到：

C＝(180-θ)/180

然而，当月球基地也就是月球表面观测站的位置接近月球背面时，有时对地球观测会出现被遮挡的情况，我们进一步分析了月球基地的选址对月基对地观测的光学覆盖度的影响。显然，从对地光学的角度考虑，显然月球的背面不在考虑范畴之内，因此我们将选址的候选范围先锁定在月球正面。从图1的几何关系中可以得到，当∠B_mO_mM₁和∠B_mO_mM₂大于90°时,月球表面的观测站无法观测到整个地球的近月面(不考虑太阳光照)。同时，由于月基对地观测的视场角非常小，为了计算方便作简化考虑，忽略部分地球被遮挡无法观测的情况，将这种情形视为不佳的观测，记覆盖度为0。为了较为全面地体现月球基地选址的影响，以1°经度和纬度以及1天为间隔，对月球正面各个位置的光学覆盖度计算，并得到了各点的平均值。由于各个年份之间的差异不大，因此这里选择以2015年为例进行计算。接着再对计算结果进行插值，可以得到月球表面不同位置可获取的2015年对地观测整体覆盖度平均值。从结果中可以看出，显然月球正面的中心区域可以获得最高的覆盖度，而且在一定范围内，覆盖度差异很小，基本都为0.49，随后覆盖度随着经度和纬度的增加而明显减小。尤其是对于一些经度或纬度大于73°的地区，可获得的覆盖度开始明显下降。而经纬度同时大于84°的地区，对地观测的视线在一年中总会有一段时间被遮挡，覆盖度和中心区域差异明显，平均值都小于0.41。

因此根据我们的实验结果，当考虑光学对地观测时，月球基地的选址不适合放在月球背面，月球正面是一个不错的选址。另外从一定程度上来说，月球正面的中心位置，即经纬度较小的区域适合月球基地的选址。月球正面的边缘位置，尤其是经纬度同时大于84°的地区，对地观测的覆盖度会明显降低，不建议部署月球基地。而月球正面的其他区域，可以结合其他的需求，综合考虑，也具有一定月球基地选址的潜力。