郭華東，丁翼星，劉 廣

（1.可持續(xù)發(fā)展大數(shù)據(jù)國際研究中心，北京 100094；2.中國科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院數(shù)字地球重點(diǎn)實驗室，北京 100094；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 101408）

引 言

50多年來，空間對地觀測技術(shù)已得到了長足發(fā)展。自20世紀(jì)60年代起，國際上成功發(fā)射了各類人造地球衛(wèi)星、 載人飛船、 航天飛機(jī)、空間站、深空探測器、日地L1點(diǎn)衛(wèi)星等，并實施了大量綜合性系列衛(wèi)星對地觀測計劃，所攜帶的傳感器工作波段也覆蓋了自可見光、紅外到微波的全波段范圍。對地觀測應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步拓展，在氣候變化、資源環(huán)境、地球動力學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。但是在地球科學(xué)研究中，人們越來越認(rèn)識到需要將地球作為一個整體進(jìn)行綜合觀測，更需要以全球性的系統(tǒng)觀和多時空尺度分析方法來研究地球整體行為。尤其是在研究發(fā)生在地球系統(tǒng)內(nèi)的大尺度地球宏觀科學(xué)現(xiàn)象并分析其空間相關(guān)性、研究各個圈層之間相互聯(lián)系和相互影響時，要求參數(shù)具有全球尺度上的時間一致性和空間連續(xù)性[1]。地球宏觀科學(xué)現(xiàn)象的各個方面在復(fù)雜的地球系統(tǒng)中具有緊密聯(lián)系，需要一個穩(wěn)定的可提供星球尺度觀測能力的對地觀測平臺綜合多傳感器空間信息，并以地球系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的形式進(jìn)行集成和分析。目前對地觀測衛(wèi)星主要運(yùn)行在兩種軌道上：①低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO），軌道低，視野受限，時空采樣均不連續(xù)；②地球同步軌道（Geosynchronous Earth Orbit，GEO），軌道高，時空連續(xù)性較好，但是觀測角度受限。人們也發(fā)展了一些特殊軌道來提高特定的對地觀測能力，然而沒有哪種單一平臺能解決所有的空間對地觀測問題，發(fā)掘不同平臺的優(yōu)勢從而組建完整的對地觀測系統(tǒng)成為解決這一問題的重要方法。月球是離我們最近的地外天體，也是人類目前唯一登上過的星球，為我們提供了一個獨(dú)特的對地觀測場所，能從地球系統(tǒng)外部來觀測地球系統(tǒng)本身的演化過程，以及地球系統(tǒng)與外部的相互作用和影響。在月球上能夠同時實現(xiàn)長期、全面、穩(wěn)定的對地觀測，在一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)有對地觀測系統(tǒng)在時間一致性和空間連續(xù)性方面的不足，從而為地球科學(xué)研究、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更有力的支撐。

自1958年以來，衛(wèi)星和宇宙飛船已經(jīng)造訪月球100多次。包括前蘇聯(lián)、俄羅斯、美國、歐洲航天局（European Space Agency，ESA）、中國、日本和印度在內(nèi)的國家和機(jī)構(gòu)都開展了自己的月球探測計劃。如ESA提出的“月球村”計劃，其目標(biāo)是由具有航天能力的國家建立一個在科學(xué)、商業(yè)、采礦甚至旅游方面進(jìn)行國際合作的月球基地[2]，而美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）也開始了新的探月任務(wù)“阿爾忒彌斯”（Artemis）[3]。中國則倡議以“共商共建共享”為原則建設(shè)國際月球科研站，以支持長期、較大規(guī)模的月球探測、天文及對地觀測、科學(xué)與技術(shù)實驗和資源開發(fā)利用等工作[4]。月球表面的永久基地對科學(xué)研究和深空探測具有重要意義。對于地球科學(xué)來說，它也將提供一個觀測地球的獨(dú)特場所[5]。

目前成功布設(shè)的月基對地觀測傳感器主要面向地球等離子體觀測。1972年“阿波羅16號”（Apollo 16）登月時宇航員就將一臺遠(yuǎn)紫外相機(jī)安裝在月球表面，用于觀測地球等離子體[6]。2013年“嫦娥二號”的著陸器上攜帶了一臺由中國科學(xué)院長春光機(jī)所研制的極紫外相機(jī)。成功落月后，該相機(jī)對地球等離子體進(jìn)行了長達(dá)1年的觀測，積累了大量數(shù)據(jù)[7]。面向地球的其它圈層，尤其是面向地球氣候系統(tǒng)的月基觀測目前還在研究階段，但是也正成為空間對地觀測發(fā)展的新方向，相關(guān)研究成果不斷涌現(xiàn)。Guo等[8]對月基對地觀測的科學(xué)內(nèi)涵進(jìn)行了長期深入探索。研究表明，月基對地觀測是觀測地球宏觀科學(xué)現(xiàn)象的有效手段，也是現(xiàn)有空間對地觀測系統(tǒng)的良好補(bǔ)充。尤其在觀測地球氣候系統(tǒng)對日-地-月相互作用的響應(yīng)時，月基觀測能提供特殊視角。月基傳感器可用于監(jiān)測固體地球宏觀運(yùn)動現(xiàn)象、全球輻射平衡的長期趨勢與波動、地球生命信號以及近地空間環(huán)境。其中，月基地球輻射平衡測量系統(tǒng)有望在10年內(nèi)登陸月球表面，為監(jiān)測氣候變化提供全新手段[9]。它由一個寬波段輻射計和一個面陣列成像光譜儀組成，前者用來測量地球向外的短波輻射和長波輻射，后者用來繪制地球表面狀態(tài)以及關(guān)鍵大氣成分的時空分布。

綜合起來，月基對地觀測相關(guān)研究的主要內(nèi)容可以總結(jié)為以下幾個方面：①月基對地觀測科學(xué)目標(biāo)，主要包括地球科學(xué)現(xiàn)象月基觀測的必要性、可行性和具體需求；②月基對地觀測傳感器的論證、設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)，目前主要研究對象包括月基遠(yuǎn)紫外-極紫外相機(jī)、月基輻射計、月基面陣光譜儀和月基合成孔徑雷達(dá)等；③利用月基觀測數(shù)據(jù)估計地球物理參數(shù)的相關(guān)模型與方法；④關(guān)于月基對地觀測站建站條件的研究，如月球表面地形環(huán)境、對地可視性和太陽光照條件等。本文基于筆者近年來承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金委重大項目“宏觀地球科學(xué)現(xiàn)象的月基研究”，從以上幾個方面詳細(xì)討論目前月基對地觀測獲得的成果和結(jié)論，以及面臨的問題和未來的發(fā)展方向。

1 月基對地觀測特點(diǎn)

與人造平臺不同，月基對地觀測最大的特點(diǎn)是月球是一個自然天體平臺。作為地球唯一的自然衛(wèi)星，也是離地球最近的地外天體，月球?qū)Φ厍颦h(huán)境形成發(fā)揮著重要作用。在月球上布設(shè)傳感器進(jìn)行對地觀測具有如下特點(diǎn)[8]：

1）長期性：人造衛(wèi)星的壽命一般是數(shù)年到十幾年，月球卻已經(jīng)存在45億年，今后也將長期存在，幾乎是一個“永久”的平臺。月基對地觀測每天都能覆蓋地球絕大部分區(qū)域一次，每月能以所有地方時覆蓋同一區(qū)域至少一次，在月球表面建設(shè)對地觀測站，實現(xiàn)同一平臺數(shù)十年甚至上百年的對地觀測，可消除不同傳感器相互校準(zhǔn)誤差，形成長期的時間序列數(shù)據(jù)，為全球變化研究提供新的支持。新的支持。

2）整體性：月基對地觀測可以完整覆蓋地球近月面，可以將地球作為一個點(diǎn)源來觀測地球系統(tǒng)在各個波段的信號特征。而且月球廣闊的空間可布設(shè)多種傳感器、大型傳感器，實現(xiàn)對地球各個圈層數(shù)據(jù)的綜合獲取，從而達(dá)到一種“三維”整體觀測的效果。

3）穩(wěn)定性：研究表明，月殼缺乏板塊構(gòu)造運(yùn)動，因此月震活動遠(yuǎn)比地震活動弱[10]。與衛(wèi)星平臺相比，月球是一個具有廣闊空間的剛性平臺，傳感器可以形成較長的穩(wěn)定基線或較大的觀測網(wǎng)絡(luò)，從而能夠完成一些精確的對地測量任務(wù)。

4）唯一性：月球質(zhì)量大，是地球引潮力的主要來源，引起的大氣、海洋和固體地球潮汐是塑造地球表面環(huán)境的重要影響因子。同時月球運(yùn)動對地震活動也具有一定的觸發(fā)效應(yīng)[11]。月球?qū)Φ厍蚴┘拥挠绊懼饕c月球運(yùn)動相關(guān)，與月球公轉(zhuǎn)有相同的周期，因此在月基上觀測與這些現(xiàn)象相關(guān)的參數(shù)能提供獨(dú)特的、唯一的視角。

2 月基對地觀測科學(xué)目標(biāo)研究

2.1 全球輻射平衡

近年來，極端氣候的頻繁發(fā)生正在對人類的生存環(huán)境形成嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。全球氣候變化的影響因素眾多，其中既有溫室氣體排放等人為因素，也有太陽輻射變化的自然因素[12-14]。但對這兩種因素的相對重要性認(rèn)識仍然存在較大差異。另外，全球多個組織機(jī)構(gòu)用不同的模型對全球氣候變化趨勢的預(yù)測也不盡相同，這表明人類對全球氣候變化機(jī)制的認(rèn)識還不完善。

從根本上說，全球氣候變化取決于地球輻射收支狀況[15]。然而，無論是太陽輻射（收入）還是地球反射或發(fā)射輻射（支出）的準(zhǔn)確測量都有賴于空間技術(shù)的發(fā)展。地球輻射平衡研究的目標(biāo)是獲取大氣頂層無偏差的、絕對定標(biāo)的、全球覆蓋的平均太陽短波反射和長波發(fā)射通量。從20世紀(jì)70年代末期開始，美國和歐洲先后開展了多個專門用于測量太陽和地球輻射的人造地球衛(wèi)星觀測計劃[16-18]，從而大大提高了人們對地球能量系統(tǒng)的認(rèn)識。但是在地球輻射支出中，太陽短波反射能量與反射率、大氣條件等密切相關(guān)，它被證明具有明顯的各向異性，時空采樣的多少直接影響到反演結(jié)果的精度[19-21]。目前，由觀測結(jié)果反演得到的凈輻射量不確定性仍然較大，并且與氣候模型、海洋熱容量估算結(jié)果的長期一致性仍然存在爭議[22-24]。這主要是因為現(xiàn)有地球輻射平衡的空間觀測數(shù)據(jù)主要來自低軌地球軌道衛(wèi)星，其視場、視角和壽命均受到限制，在多傳感器數(shù)據(jù)的相互校正過程中難免引入誤差。地球同步軌道是對地觀測衛(wèi)星常用軌道之一，它能整體覆蓋星下點(diǎn)所在的地球半球面，但是在觀測地面特定目標(biāo)時方位角和天頂角均為定值，不利于方向半球反射率（directional-hemispherical reflectance）的計算，在極地區(qū)域也缺乏覆蓋。

利用月基傳感器組觀測全球輻射平衡將是人類首次在月球上對地球能量平衡進(jìn)行觀測，為全球變化研究提供新的視角，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：①目前在相近區(qū)域還未有任何對地觀測系統(tǒng)，因此能夠得到一組獨(dú)立的觀測數(shù)據(jù)集；②利用整體觀測和多角度觀測估算全球能量平衡能有效地解決目前能量平衡觀測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)拼接、參數(shù)不同步、多平臺校準(zhǔn)等問題；③可作為低軌觀測數(shù)據(jù)和微光（Earthshine）觀測數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)基礎(chǔ)，有望解決不同數(shù)據(jù)之間存在的一致性問題。

2.2 固體地球宏觀運(yùn)動現(xiàn)象

固體潮、板塊運(yùn)動及大陸變形、冰川均衡調(diào)整（Glacial Isostatic Adjustment，GIA）是典型宏觀尺度的固體地球運(yùn)動現(xiàn)象。對上述固體地球宏觀運(yùn)動現(xiàn)象進(jìn)行研究，是高精度大地測量學(xué)的基本任務(wù)。固體地球宏觀運(yùn)動取決于天體引潮力和地球內(nèi)部構(gòu)造，目前相關(guān)數(shù)據(jù)主要采用重力或位移等測量等方法獲得[25]。超導(dǎo)重力儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （Global Navigation Satellite System，GNSS）等儀器雖然可以準(zhǔn)確觀測固體地球運(yùn)動，但是只對部分地區(qū)開展了有限的點(diǎn)狀觀測；機(jī)載或星載干涉雷達(dá)也只能對較小區(qū)域進(jìn)行局部面狀觀測。這些方法都難以獲得長時間跨度的全球圖像，尚不能提供時空連續(xù)的固體地球宏觀運(yùn)動現(xiàn)象觀測能力。相比人造地球衛(wèi)星，月球是一個十分穩(wěn)定的平臺，可以為干涉測量提供足夠長并且穩(wěn)定的空間基線以及短至1天的時間基線。另外月球也是引起固體地球潮汐效應(yīng)的主要原因之一，因此月球也為連續(xù)跟蹤觀測固體地球潮汐提供了獨(dú)特視角。

2.3 地球生命信號特征

除太陽外，其它恒星距離地球非常遙遠(yuǎn)。在如此遙遠(yuǎn)的距離尋找與地球相似的、不發(fā)光的行星是非常困難的事情。事實上，大部分銀河系恒星都應(yīng)有一顆類似地球的行星[26]，要確定其是否適合人類居住，不僅要看其是否處于其母恒星的宜居帶中，還要分析其大氣成分。類地系外行星的最佳探測方法是用大型地基或空間望遠(yuǎn)鏡對其進(jìn)行直接觀測[27]。一般來說，恒星直射光是非偏振的，而行星反射光通常是偏振的，因此可以通過分析像素中的偏振信號來獲取關(guān)于行星表面和大氣特征的信息[28]。

地球作為已知的唯一具有生命的行星，是我們最了解的星球，其大氣和表面特征已經(jīng)得到了充分的研究，是研究地外行星生命信號的理想樣本。模擬地球單像素信號的模型和方法很多[29-30]，但是真實的單像素信號數(shù)據(jù)卻很缺乏。因此需要像觀測系外行星一樣對地球進(jìn)行長期觀測。相關(guān)研究表明，進(jìn)行這類觀測并建立基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的最佳位置就是月球表面[27]，可以實現(xiàn)整個半球單像素觀測，覆蓋不同的地相（不同的觀測角和太陽角）、覆蓋不同季節(jié)（不同地表反照率和天氣條件）。

2.4 大尺度海陸氣相互作用

地球是一個整體系統(tǒng)，其中各個圈層之間、不同區(qū)域之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)聯(lián)。同時，地球宏觀科學(xué)現(xiàn)象大多具有大尺度且快速變化的特征。傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感，無論是極軌衛(wèi)星還是靜止衛(wèi)星都無法兼顧地球系統(tǒng)整體性和變化瞬時性的觀測，這在很大程度上制約了科學(xué)家對地球系統(tǒng)和星際尺度全球變化現(xiàn)象的理解。月基平臺的基本特征決定了它在整體理解大尺度海陸氣相互作用方面具有無可替代的優(yōu)勢，探索月基對地觀測的科學(xué)意義之一就是發(fā)掘這種潛力。大尺度海陸氣相互作用，包括全球海氣相互作用、陸氣相互作用和邊界層大氣過程、海陸關(guān)聯(lián)變化和海岸帶過程等。這里特別關(guān)注地球系統(tǒng)過程的區(qū)域分異、累積性變化、空間遙相關(guān)、時滯相關(guān)、尺度關(guān)聯(lián)等。

2.5 近地空間及地-月空間目標(biāo)探測

對空間小型自然天體、人造航天器等空間目標(biāo)進(jìn)行探測、跟蹤、識別和編目，有助于提高人造航天器運(yùn)行的安全性，也能夠及時預(yù)警行星撞擊等災(zāi)難事件。目前部署在地球表面和近地軌道的各種光學(xué)、雷達(dá)探測器一定程度提高了空間目標(biāo)監(jiān)測能力，但是也存在一定的局限性。如地基探測系統(tǒng)往往受到地球大氣層的影響，如大氣損耗、電離層效應(yīng)和云霧遮擋等，而且還有一定的檢測盲區(qū)。天基系統(tǒng)雖然受地球大氣影響較小，但是其壽命和載荷十分受限，監(jiān)測能力較弱。由于月球表面幾乎沒有大氣層，月基空間目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)傳輸損耗較小，而且沒有大氣窗口限制，波段選擇更加靈活。月球表面的微重力，使得各種大口徑的望遠(yuǎn)鏡和天線更容易設(shè)計安裝，從而能有效提高對空間目標(biāo)的監(jiān)測能力。

2.6 近地空間環(huán)境觀測

人們發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)的高價粒子與來自地球的中性粒子電荷交換，可以產(chǎn)生軟X-射線輻射[31]，能量主要集中在0.2～5 keV?？梢砸栽虑驗槠脚_，利用軟X-射線成像儀對磁層空間進(jìn)行成像觀測，克服單點(diǎn)或多點(diǎn)的就地探測不足，從全球尺度上研究太陽風(fēng)-磁層相互作用及其變化規(guī)律[32]。

等離子體層是圍繞地球的一個低能量等離子體區(qū)域，其分布和變化對電離層和磁層產(chǎn)生重要影響。He+是地球等離子體層內(nèi)具有發(fā)射光譜的含量最高的粒子，利用He+對太陽30.4 nm極紫外輻射的共振散射，可以對等離子體層成像。月基設(shè)備能夠?qū)Φ入x子體層開展連續(xù)觀測，從而捕捉到等離子體層在磁暴活動期間的完整動力學(xué)過程[33]。

3 月基對地觀測傳感器研究

常用的對地觀測遙感傳感器大致可以分為主動類和被動類。被動類遙感傳感器（如加速度計、輻射計、垂直探測儀等非成像型和成像光譜儀、成像輻射計等）主要探測由地球表面反射的太陽輻射或其自身發(fā)射輻射。結(jié)合月基對地觀測科學(xué)目標(biāo)，目前建議選用的傳感器有月基寬波段輻射計、月基偏振成像光譜儀以及月基紫外相機(jī)。而主動類遙感傳感器（如雷達(dá)、激光雷達(dá)、激光高度計、測距儀、散射計和回波探測器等）需要發(fā)射電磁波，經(jīng)過地球表面目標(biāo)的反射或散射，再由接收器接收。由于地-月距離較遠(yuǎn)，一般的主動類傳感器會存在發(fā)射功率高、系統(tǒng)載荷大和回波信號弱等限制。而合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）在成像處理中引入的距離和方位向壓縮可以使信噪比大幅提升，再加上提高發(fā)射功率和增加天線增益等進(jìn)一步手段，成為能夠在月球表面布設(shè)的少數(shù)主動類遙感傳感器之一。

利用SAR和成像光譜儀從月球上觀察地球在技術(shù)上都是可行的?？紤]到成本、尺寸、重量和能耗，月基對地觀測傳感器的參數(shù)選擇范圍并不太寬泛，設(shè)計時限制條件比較多，還有很多技術(shù)問題需要進(jìn)一步研究。Guo等[8]對多種傳感器在月基上實現(xiàn)的可行性進(jìn)行了討論，提出月基被動光學(xué)對地觀測傳感器、月基SAR、月基微波輻射計等可以放在月球表面實現(xiàn)月基對地觀測。

3.1 月基合成孔徑雷達(dá)

在對地觀測傳感器中，SAR是一種主動探測傳感器，具有全天時、全天候探測的優(yōu)點(diǎn)，部分學(xué)者對在月球上布設(shè)合成孔徑雷達(dá)的可行性進(jìn)行了一些探索。Moccia等[34]和Fornaro等[35]分別以雙天線干涉測圖和重軌差分干涉形變測量為主要應(yīng)用目標(biāo)提出了月基SAR的系統(tǒng)參數(shù)，并簡單討論了長合成時間引起不穩(wěn)定散射體散焦和位置偏移的問題。Moccia等[34]提出了采用拋物面天線的X、C和L 3個波段月基干涉對地測圖系統(tǒng)，指出其具有高空間分辨率和時間分辨率的特點(diǎn)，并比較了條帶模式、聚束模式下的系統(tǒng)表現(xiàn)。Fornaro等[35]提出采用矩形天線的3個波段SAR系統(tǒng)，對比分析了星載SAR與月基SAR在重軌交軌干涉和順軌干涉上的系統(tǒng)性能差異。Guo等[36]提出了面向全球變化觀測的月基SAR系統(tǒng)，認(rèn)為限制SAR在全球變化研究中應(yīng)用的主要因素是現(xiàn)有的SAR數(shù)據(jù)幅寬較小，在大區(qū)域覆蓋時存在明顯的時空不一致性。通過分析月基SAR的時空對地覆蓋特點(diǎn)后，指出月基SAR更適合宏觀尺度地球科學(xué)現(xiàn)象的研究，并提出了一個L波段月基SAR實例。李德偉等[37]也進(jìn)行了SAR系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)分析與仿真，并提出采用多波束工作模式使測繪帶寬達(dá)到上千km的觀測方案。

在此基礎(chǔ)上，近年來出現(xiàn)了一系列關(guān)于月基SAR技術(shù)問題的研究，包括月基SAR成像問題、月基SAR零多普勒導(dǎo)引、月基SAR覆蓋特性等方面。在月基SAR成像方面，Xu和Chen[38]做了系統(tǒng)性研究。首先，他們提出在月基SAR長積分時間內(nèi)，任何地球和月球相對運(yùn)動的不均勻性都會引起距離曲線的變化，而傳播過程中的長時間延遲也使得傳統(tǒng)機(jī)載星載成像中的“停-走”假設(shè)不再有效?；谔├账碾A分解，他們首次建立了月基SAR回波信號模型，并推導(dǎo)了簡化條件下的回波二維譜[39]。后續(xù)研究又根據(jù)等效速度和等效斜視角，提出了一種擴(kuò)展雙曲線距離方程，并建立了相應(yīng)的信號模型，為實現(xiàn)月基SAR點(diǎn)目標(biāo)聚焦奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。此外，地-月的不規(guī)則運(yùn)動和大氣對電磁波傳播的影響也會引起回波信號的變化。研究進(jìn)一步定量分析了地球曲率與月球公轉(zhuǎn)[40]、地球不規(guī)則自轉(zhuǎn)[41]、時變電離層[42]以及月球軌道拱線進(jìn)動[43]對月基SAR成像的影響。零多普勒中心導(dǎo)引是提高SAR成像質(zhì)量和降低信號處理難度的重要步驟。星載SAR的零多普勒導(dǎo)引是通過偏航控制來實現(xiàn)的，而月基SAR的平臺是一個自然天體，無法人為改變月球的姿態(tài)來補(bǔ)償SAR的多普勒中心頻率。因此，需要從月基SAR的成像幾何出發(fā)，提出適用于月基SAR的零多普勒導(dǎo)引方法。Dong等[44]提出了一種計算零多普勒中心的方法，研究了零多普勒線的時空分布。Xu等[45]通過理論推導(dǎo)月基SAR的多普勒中心頻率表達(dá)式，系統(tǒng)研究了月基SAR的多普勒特性，在此基礎(chǔ)上提出一種在不旋轉(zhuǎn)平臺的情況下最小化多普勒中心的導(dǎo)引方法。

3.2 月基寬波段輻射計和月基偏振多光譜儀

光學(xué)傳感器是對地觀測的重要手段，用于對地球大氣和地表相關(guān)參數(shù)的觀測和研究。從月基角度對地球進(jìn)行光學(xué)觀測的優(yōu)勢在于其視場角能夠覆蓋大部分的半球區(qū)域，并且提供長時間穩(wěn)定的實時大氣和地表參數(shù)。實時觀測半球區(qū)域?qū)τ谘芯亢芏嗫焖僮兓拇蟪叨鹊乇砗痛髿猬F(xiàn)象有重要的意義，例如對地球徑向的能量傳輸、南北極區(qū)域海冰和氣溫的研究、大氣頂層輻射和全球能量平衡等。

針對全球輻射平衡的觀測目標(biāo)，一個由寬波段輻射計和月基偏振多光譜儀組成的傳感器組將在未來降落到月球表面開展工作[9]。輻射計主要用來獲取特定波段的方向輻射亮度。通過與多光譜成像儀的協(xié)作，輻射計觀測到的輻射亮度可以用于估算大氣頂層和地表的輻射通量，以及地球能量收支。光譜儀主要用來同步觀測地表反射率、云、氣溶膠和部分溫室氣體。國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了部分與月基傳感器組設(shè)計相關(guān)的工作，如Duan等[46-47]利用各向同性模型計算了輻射計入瞳處的輻照度，并基于此給出了一些合適的傳感器參數(shù)；Yuan等[48]探索了月基微波輻射計的可行性，并以地表溫度反演為應(yīng)用目標(biāo)對月基微波輻射計的參數(shù)進(jìn)行了初步設(shè)計；Li等[49]研究了光學(xué)圖像的成像模式和圖像處理問題。其它相關(guān)研究還包括月基光譜儀成像分辨率[50]、外方位元素對定位精度的影響[51]、時間采樣間隔的選擇[52]等問題。

在月球上架設(shè)這兩個傳感器已無明顯技術(shù)障礙，在數(shù)據(jù)采集和處理方法上也可以借鑒星載系統(tǒng)成熟的總體思路。然而，儀器的測量精度、穩(wěn)定性、采樣率等指標(biāo)與應(yīng)用需求的理論關(guān)系還不清楚，這直接影響到輻射計測量數(shù)據(jù)能否反映地球向外輻射的長期波動與變化趨勢，以及該數(shù)據(jù)能否用于估算可靠的地球輻射收支差額數(shù)據(jù)。因此相關(guān)的理論建模與精度分析將是下一步的研究重點(diǎn)。

3.3 月基紫外相機(jī)與軟X射線成像儀

“阿波羅16號”任務(wù)期間在月球表面的三腳架上放置了一臺施密特相機(jī)，其主要目標(biāo)之一是獲得50～160 nm波長范圍內(nèi)的地球大氣和地冕光譜和圖像[53]。這個遠(yuǎn)紫外波段包含了地球大氣和地冕中大多數(shù)原子和分子的共振譜線。相機(jī)孔徑7.5 cm，既可以直接對地球拍照，也可以利用一個光柵作為光譜儀使用?！版隙鹑枴比蝿?wù)中的月基極紫外相機(jī)安裝在月球著陸器的頂部，對地球等離子體層He+共振散射的30.4 nm輻射進(jìn)行成像。中國的極紫外相機(jī)在登月之前也做了大量的設(shè)計工作[54-55]。相機(jī)中心波長30.4 nm，波段寬4.6 nm，視場角為14.7°，角分辨率為0.08°。郭亦鴻等[32]初步設(shè)計了月基軟X射線成像儀，采用寬視場軟X射線望遠(yuǎn)鏡，可以對太陽風(fēng)電荷交換過程產(chǎn)生的軟X射線進(jìn)行動態(tài)成像。

4 月基觀測相關(guān)模型與地球物理參數(shù)的估算方法研究

4.1 月基對地觀測幾何模型

開展月基對地觀測研究首先要厘清傳感器和觀測目標(biāo)及其與太陽光照方向之間的幾何關(guān)系。針對不同的應(yīng)用，對幾何關(guān)系模型的精度要求也不同，我們將其分為簡化模型、一般模型和高精度模型3個層次。簡化模型主要用于傳感器的需求分析和初步設(shè)計，一般模型主要用于傳感器詳細(xì)設(shè)計、選址和研發(fā)數(shù)據(jù)處理方法，高精度幾何模型主要用于月基SAR成像和傳感器運(yùn)行指向分析等方面。

與月基對地觀測相關(guān)的很多研究都在不同程度上涉及到了觀測幾何模型。Fornaro等[35]利用簡化幾何模型分析了月基SAR系統(tǒng)性能。該簡化模型只考慮了地-月相對運(yùn)動中的地球自轉(zhuǎn)分量，這是由于地球自轉(zhuǎn)加速度約為月球公轉(zhuǎn)角速度的27倍，因此月基SAR的多普勒帶寬主要來自于地球自轉(zhuǎn)。Guo等[36]也利用簡化模型對月基SAR的多普勒帶寬進(jìn)行了分析。Moccia等[34]利用ELP2000和IAU章動理論建立了一個半解析的簡化幾何模型用于月基SAR系統(tǒng)分析。該模型假設(shè)月球軌道在黃道面內(nèi)并且月球自轉(zhuǎn)軸與軌道平面垂直。何飛[56]利用理想軌道模型和月球平均運(yùn)動參數(shù)為計算傳感器指向建立了幾何模型。丁翼星等[57-58]用噴氣推進(jìn)實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的DE星歷建立了用于SAR對地觀測的幾何模型，并在考慮光行差效應(yīng)的情況下建立了高精度幾何模型。Liu等[59]分析了橢球條件下月基對地觀測的一些幾何特性。另外，利用月基對地觀測幾何模型分析月基傳感器的時空覆蓋特征也研究得較為深入。Sui等[60]研究了月基對地觀測的南北極覆蓋特性，Liu等[61]以南北極海冰為觀測目標(biāo)討論了月基觀測極地冰蓋的可行性，Ye等[62]分析了光學(xué)傳感器的指向變化特點(diǎn)，Shen等[63]建立了一個月基對地觀測幾何關(guān)系模擬系統(tǒng)。其它相關(guān)研究還包括文獻(xiàn)[64～69]?？傮w來說，月基對地觀測幾何模型是最早的研究方向之一，研究較為深入，也為其它各項月基對地觀測研究提供了堅實的基礎(chǔ)。

大數(shù)據(jù)所涵蓋的內(nèi)容十分豐富，它擁有巨大的信息群體，可以便捷無礙的實現(xiàn)信息的傳遞和交換。在大數(shù)據(jù)得到廣泛應(yīng)用的今天，社會的變革席卷了每一個角落，甚至推動了整個人類社會的發(fā)展進(jìn)程，也為未來社會發(fā)展的方向提供了多種可能。高等教育領(lǐng)域與大數(shù)據(jù)的結(jié)合極具創(chuàng)造性，能夠幫助高等院校提升信息化發(fā)展水平，有著巨大的現(xiàn)實意義；

4.2 地球輻射平衡的月基估算方法

地球大氣頂層向外輻射，特別是短波輻射，具有顯著的各向異性特征。地球大氣頂層向外輻射的各向異性，可以通過地球向外輻射的角度分布函數(shù)來表述。但是，之前的地球輻射角度分布函數(shù)都是基于已有的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，對地球的局部區(qū)域進(jìn)行觀測獲得的。為了發(fā)揮月基整體觀測的優(yōu)勢，需要建立一個不同于衛(wèi)星的估算方法。基于此思路，Shang等[70]將地球視作一個各向異性的點(diǎn)輻射源，通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)計算了地球整體的各向異性因子，并模擬建立了一個全球角度分布模型，可以將月基觀測到的地球大氣頂層向外輻射亮溫轉(zhuǎn)換成輻射通量。通過月基觀測數(shù)據(jù)的不斷積累，可以實現(xiàn)各向異性因子的不斷更新優(yōu)化，最終得到真實的全球角度分布模型。另外，地球向外輻射的各向異性與視場內(nèi)地球的光照面積、海陸分布、云覆蓋等參數(shù)密切相關(guān)，因此研究它們對全球各向異性的影響是保證估算結(jié)果精度的關(guān)鍵。

4.3 固體地球大尺度運(yùn)動的月基InSAR反演方法

固體地球大尺度運(yùn)動可以用月基InSAR方法來提取。Dong等[71-72]給出了其時-空基線和有效空間覆蓋的計算方法，分析了時-空基線的分布特點(diǎn)。李德偉等[73]利用固體潮位移理論模型，根據(jù)InSAR測量基本原理和Sentinel-1衛(wèi)星成像參數(shù)，模擬了固體潮位移InSAR相位，發(fā)現(xiàn)固體潮位移對InSAR廣域地表形變監(jiān)測存在較大影響。Wu等[74]則以固體潮汐為觀測目標(biāo)，在比較各種觀測模式后，選擇了單站重軌差分干涉進(jìn)行模擬，主要考慮了3種信號帶寬下觀測幾何對月基InSAR的限制，為傳感器的設(shè)計提供了參考。當(dāng)前研究主要基于初步模擬，很多影響因子在分析時被簡化了，例如沒有針對不同系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析，未考慮電離層與大氣層水汽對不同波段的影響、回波信噪比差異引起的誤差等，這些都需要通過進(jìn)一步模擬分析來解決。

4.4 地表溫度的月基估算方法

地表溫度變化是全球變化的直接表達(dá)，獲取全球地表溫度數(shù)據(jù)是對地觀測的最基本任務(wù)之一。月基觀測提供了一種快速獲取地表溫度的方法，同時對于建立全球角度分布函數(shù)來說也十分重要。Nie等[75]提出了一種模擬月基觀測地球表面溫度數(shù)據(jù)的方法。他們采用改進(jìn)的陸地表面晝夜溫度循環(huán)法，利用中分辨率成像光譜儀（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）地表溫度產(chǎn)品獲得任意協(xié)調(diào)世界時月基視角下的全球地表溫度數(shù)據(jù)。Yuan等[76]發(fā)展了一種適合于寬觀測天頂角的從被動微波數(shù)據(jù)中反演地表溫度的方法，通過分析各種大氣和電離層參數(shù)，可以同時估計地表溫度和發(fā)射率。Liao等[77]發(fā)展了一種熱紅外波段的月基對地觀測成像模擬方法，用于研究月基熱紅外成像過程。該方法包括3個部分：基于月球的成像覆蓋估計、入射光瞳處輻射強(qiáng)度的獲取以及基于月球的熱紅外傳感器的模擬圖像輸出。地表溫度的月基反演相關(guān)研究主要集中在數(shù)據(jù)模擬方面，而數(shù)據(jù)應(yīng)用、精度分析和傳感器設(shè)計等研究較少。

5 月球?qū)Φ赜^測選址研究

與星載地球觀測不同的是，月基對地觀測需要在月球表面確定一個觀測位置。目前關(guān)于選址的綜合性研究不多，但是針對選址影響因子的研究較為豐富。影響月基對地觀測選址的因素有很多，大致可以分為4大類：觀測條件、光照條件、地形條件和環(huán)境地質(zhì)條件。

觀測條件是最重要的選址條件，這里主要是指月基對地觀測的可視性。月基對地觀測可視性要求傳感器能夠一直觀測整個地球近月面，能夠連續(xù)、完整地接收整個半球的數(shù)據(jù)。由于潮汐鎖定，月球有一面幾乎總是朝著地球（月球近地面），因此在月球近地面除去邊緣地帶的絕大部分區(qū)域，均能符合可視性要求。目前，僅有的兩次月基對地觀測實驗均將設(shè)備放置在此區(qū)域內(nèi)。一次是美國“阿波羅16號”的遠(yuǎn)紫外相機(jī)，放置于月面（15.50°E，8.96°S）處；另一次是中國的極紫外相機(jī)，放置在月面（19.51°W，44.12°N）處。此外，月面位置也會對月基傳感器設(shè)計運(yùn)行造成一些影響，如運(yùn)行指向[58,62]、雷達(dá)多普勒參數(shù)[57]、零多普勒導(dǎo)引[44-45]等。由于一般的傳感器指向裝置采用方位-俯仰二維轉(zhuǎn)臺設(shè)計，因此月基傳感器盡量不放置在過于靠近月面中心的位置，以免造成方位向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)承受較大的負(fù)荷[58]。

關(guān)于月面光照分布的研究較多，中低緯度的光照分布差異不大，而極區(qū)由于地形影響較為特殊。通過對18.6年一個物理天平動長周期內(nèi)的光照條件進(jìn)行演化計算，在月球兩極未發(fā)現(xiàn)永久光照區(qū)，但存在永久陰影區(qū)[78]。光照可以為儀器設(shè)備提供能源，但是也會引入大量熱噪聲，從而影響數(shù)據(jù)質(zhì)量?？梢哉J(rèn)為，在早期任務(wù)中，太陽光照能夠為任務(wù)實施帶來一定便利，但是對于長期永久性的月基對地觀測站來說，長期陰影區(qū)更適合于獲取長期穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

地形不僅影響可視性和光照條件，其本身也是關(guān)乎設(shè)備著陸、運(yùn)輸和架設(shè)的重要影響因子。將月基對地觀測傳感器或月基對地觀測站建立在地形較為平緩的區(qū)域，如月海、環(huán)形坑底部或月面高地上比較平緩的區(qū)域，將有利于工程實現(xiàn)。

月表的環(huán)境地質(zhì)條件對月基儀器的布設(shè)和運(yùn)行也有一定影響，如月壤的穩(wěn)定性、月塵及輻射對儀器的損害、月球電離層等對觀測數(shù)據(jù)的影響等。另外，穩(wěn)定的熱環(huán)境對設(shè)備的正常運(yùn)行也很重要。

在綜合選址原則方面，中國科學(xué)院國家天文臺研究團(tuán)隊在月基對地觀測需求和現(xiàn)有工程任務(wù)能力基礎(chǔ)上，提出了中國月基對地觀測選址技術(shù)流程、選址原則及評價標(biāo)準(zhǔn)[79]。在后續(xù)研究中，又針對光學(xué)對地觀測提出了虹灣（Sinus Iridum）（31.67°W，45.1°N）、酒海（Mare Nectaris）（34°E，16°S）和沙克爾頓（Shackleton）撞擊坑邊緣（129.2°E，89.7°S）3個候選區(qū)。

另外，針對不同的觀測任務(wù)和傳感器，選址標(biāo)準(zhǔn)具有一定區(qū)別。對于小型的被動光學(xué)類設(shè)備，限制條件較少，選址較為靈活。對于大型合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，需建在較為平坦的區(qū)域，如月球正面的月海區(qū)域。如果需要形成多天線干涉雷達(dá)系統(tǒng)，還需要考慮基線在月球表面的位置。

6 月基對地觀測研究展望

月基對地觀測在地球科學(xué)領(lǐng)域的很多方面都展現(xiàn)了其特殊價值，下一步的研究工作可以考慮從以下幾個方面繼續(xù)深入。

1）加強(qiáng)月基對地觀測科學(xué)目標(biāo)的探索

首先應(yīng)該關(guān)注月基對地觀測的科學(xué)目標(biāo)，包括月基對地觀測具體觀測對象、獲取的指標(biāo)參數(shù)以及與衛(wèi)星系統(tǒng)相比具有的特點(diǎn)或優(yōu)勢。為明晰這些科學(xué)目標(biāo)，需要加深對觀測現(xiàn)象的科學(xué)理解，通過模擬電磁波輻射傳輸過程及其與目標(biāo)的相互作用，清楚認(rèn)識月基對地觀測機(jī)理，探索月基對地觀測的潛在價值。重點(diǎn)研究軌道衛(wèi)星難以觀測的科學(xué)現(xiàn)象，如具有月球耦合效應(yīng)的地球科學(xué)現(xiàn)象、地-月空間小行星與人造目標(biāo)、日-地-月相互作用現(xiàn)象等。

2）研究月基對地觀測相關(guān)新技術(shù)

積極跟蹤新傳感器技術(shù)的發(fā)展，開拓技術(shù)視野，不僅要研究現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平所能提供的月基對地觀測能力，而且需要考慮未來20～30年、技術(shù)大突破以及技術(shù)理論極限所能夠給予月基對地觀測的支持。相關(guān)技術(shù)包括先進(jìn)傳感器技術(shù)、月基超遠(yuǎn)距離成像技術(shù)、地-月通訊技術(shù)、月面能源供給技術(shù)、Gbit數(shù)據(jù)超遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)、月基甚長基線干涉測量技術(shù)、月面儀器防護(hù)技術(shù)等。

3）拓展月基對地觀測概念

將月基對地觀測概念延伸至月球軌道、繞月軌道、地-月拉格朗日點(diǎn)觀測。地-月拉格朗日點(diǎn)能與月基組成對地球全覆蓋的觀測網(wǎng)絡(luò)，同時也能形成長基線編隊飛行，從而豐富任務(wù)鏈。建議未來以月基多傳感器對地觀測站為基礎(chǔ)，結(jié)合月球軌道飛行器、地-月拉格朗日點(diǎn)飛行器及繞月軌道飛行器等其它對地觀測新型平臺，形成具有同時全球覆蓋能力和獨(dú)特觀測方法的廣義月基對地觀測系統(tǒng)。

4）確定近、中、長期發(fā)展目標(biāo)并制定相應(yīng)規(guī)劃

做好月基對地觀測發(fā)展規(guī)劃，厘清近期、中期和遠(yuǎn)期研究內(nèi)容的發(fā)展目標(biāo)。需要國家戰(zhàn)略與國家大科學(xué)計劃相結(jié)合，特別是與國家探月工程、空間基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展和載人航天結(jié)合，建立長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，制定逐步實現(xiàn)路線圖。在實施上，應(yīng)考慮技術(shù)成熟的、容易實現(xiàn)的傳感器先布設(shè)，而大型的、技術(shù)或成本過高的傳感器要根據(jù)人類科技水平的發(fā)展再做探討。

5）加速研究，引領(lǐng)國際合作

加快月基對地觀測相關(guān)研究，在國際上率先提出該領(lǐng)域的國際合作計劃，爭取國際領(lǐng)導(dǎo)地位。加強(qiáng)官方和民間的國際合作，從更頂層的視野來考慮相關(guān)問題。