賈瑛卓 鄒永廖

(1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012) (2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

月基對(duì)地觀測(cè)對(duì)月球基地選址需求分析

賈瑛卓1,2鄒永廖1

(1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012) (2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

在月基對(duì)地觀測(cè)優(yōu)勢(shì)和我國(guó)現(xiàn)有工程任務(wù)能力分析基礎(chǔ)上，提出了我國(guó)月基對(duì)地觀測(cè)的月球基地選址技術(shù)流程、選址原則及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在科學(xué)目標(biāo)和工程任務(wù)能力約束下，對(duì)影響選址的主要因素，包括月面地形地貌、觀測(cè)時(shí)間、通信能力、能源需求、月球溫度環(huán)境、兼顧天文觀測(cè)多重觀測(cè)體系因素等進(jìn)行分析，為我國(guó)未來(lái)月球基地選址提供參考依據(jù)。

航天器；月基對(duì)地觀測(cè)；月球基地；選址；影響因素

1 引言

月球因其獨(dú)特的空間位置、環(huán)境、能源與礦產(chǎn)資源等應(yīng)用前景，一直是人類(lèi)開(kāi)展深空探測(cè)活動(dòng)的首選目標(biāo)。通過(guò)50多年100多次的探月活動(dòng)，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，人類(lèi)已逐步具備在月球上建立基地進(jìn)行月基對(duì)地觀測(cè)的技術(shù)能力。全球變化的月基觀測(cè)，其內(nèi)涵是在月球上布設(shè)遙感器，利用月球作為對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)，對(duì)全球尺度的科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行研究。要想進(jìn)行月基對(duì)地觀測(cè)，首先需要研究月基對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)的月球基地選址，選址是一項(xiàng)基于科學(xué)目標(biāo)、工程能力和安全性等準(zhǔn)則的決策過(guò)程[1]。建立月球基地，通過(guò)月基觀測(cè)平臺(tái)，架設(shè)遙感器，對(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)，可以對(duì)地面的氣候變化、生態(tài)演化、環(huán)境污染和各種自然災(zāi)害進(jìn)行高精度的觀測(cè)和監(jiān)視，為人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

由于月球沒(méi)有大氣層，處于超高真空度狀態(tài)，因而月球表面不會(huì)有大氣吸收、反射與散射等對(duì)光學(xué)探測(cè)儀器的干擾。月球現(xiàn)階段地質(zhì)構(gòu)造非常穩(wěn)定，沒(méi)有全球性的磁場(chǎng)，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(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星上無(wú)法達(dá)到的建造高精度望遠(yuǎn)鏡的理想條件。與星載探測(cè)設(shè)備相比，利用月基探測(cè)平臺(tái)，開(kāi)展對(duì)地觀測(cè)有如下優(yōu)勢(shì)：①星載光學(xué)望遠(yuǎn)鏡由于受到軌道高度的限制，只能對(duì)地球較小區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、連續(xù)的觀測(cè)。如果將其安裝在月球表面，很小的視場(chǎng)即可對(duì)地球進(jìn)行全球觀測(cè)，即使安放在月球的赤道地區(qū)，由于能量供應(yīng)的原因無(wú)法在夜間進(jìn)行觀測(cè)，但是月球的自轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)達(dá)27天，在13個(gè)地球日的時(shí)段內(nèi)仍可對(duì)廣闊的天區(qū)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。②月球表面為固態(tài)，且月震活動(dòng)極弱，與星載探測(cè)設(shè)備相比，月基探測(cè)設(shè)備的姿態(tài)控制相對(duì)容易，控制精度也可以比星載設(shè)備高很多，從而保證觀測(cè)質(zhì)量的精度和穩(wěn)定性[3]。③衛(wèi)星由于星下點(diǎn)的不斷變化，星載設(shè)備如要進(jìn)行數(shù)據(jù)的連續(xù)交互需要多個(gè)地面站，且實(shí)時(shí)測(cè)控更需要在全球廣泛布站。而月基觀測(cè)設(shè)備如果建在月球正面，多數(shù)情況下一個(gè)至兩個(gè)地面站便可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至十余小時(shí)的連續(xù)測(cè)控，即使今后需實(shí)時(shí)測(cè)控，對(duì)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(yīng)問(wèn)題，一般的低軌天文小衛(wèi)星的壽命只有2～3年，月基對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)如果解決了能源問(wèn)題，它的工作壽命則會(huì)長(zhǎng)得多。

在月球上布設(shè)遙感器對(duì)地球上的科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行全面、持續(xù)、長(zhǎng)期觀測(cè)是一種新概念空間觀測(cè)手段。目前我國(guó)在月球探測(cè)、衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的理論研究和應(yīng)用方面積累了大量的成果和經(jīng)驗(yàn)，嫦娥三號(hào)已經(jīng)成功著陸月球表面進(jìn)行探測(cè)，并開(kāi)展了地月空間環(huán)境的研究，是月基對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)研究的基礎(chǔ)和參考依據(jù)。在月基對(duì)地觀測(cè)儀器設(shè)計(jì)方面，搭載于嫦娥三號(hào)探測(cè)器的極紫外相機(jī)對(duì)地球等離子體層變化進(jìn)行觀測(cè)，這是國(guó)際上首次在月表著陸的極紫外波段的成像儀器，對(duì)地球周?chē)牡入x子體產(chǎn)生的輻射進(jìn)行觀測(cè)。我國(guó)的星載對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)涵蓋了對(duì)固體地球、全球變化、物質(zhì)能量平衡等研究的各個(gè)方面。目前國(guó)內(nèi)對(duì)地觀測(cè)機(jī)構(gòu)已經(jīng)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(xué)基礎(chǔ)研究能力，數(shù)字地球科學(xué)平臺(tái)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(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)積累。

月基對(duì)地觀測(cè)的月球基地的選址是實(shí)現(xiàn)月基對(duì)地球宏觀科學(xué)現(xiàn)象觀測(cè)的首要前提，選址是基于科學(xué)目標(biāo)、工程能力、資源條件和任務(wù)安全性等準(zhǔn)則下的一個(gè)選擇過(guò)程，影響選址的因素非常復(fù)雜，必須建立一套科學(xué)的選址方法和原則，對(duì)多個(gè)候選地點(diǎn)進(jìn)行分析評(píng)估，以確定最終月基對(duì)地觀測(cè)的月球基地位置。本文在月基進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)優(yōu)勢(shì)和我國(guó)現(xiàn)有的工程任務(wù)能力分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了月基對(duì)地觀測(cè)的月球基地選址的流程、選址原則及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了較為詳細(xì)的選址影響因素分析，并對(duì)目前國(guó)際上比較關(guān)注的月球極區(qū)進(jìn)行初步的調(diào)查，認(rèn)為月球南極的阿蒙森(Amundsen)地區(qū)較為適合作為月基對(duì)地觀測(cè)的基地。

2 月基對(duì)地觀測(cè)的月球基地選址的技術(shù)路線

2.1 總體流程

月基對(duì)地觀測(cè)的月球基地選址流程包括：①充分調(diào)研國(guó)外月球軟著陸探測(cè)著陸點(diǎn)選擇和相關(guān)地外天體選址的情況，分析選址區(qū)域的位置特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)選址的原則和方法，為確定我國(guó)月球基地的選址流程和選址方法提供依據(jù)。②進(jìn)行月基對(duì)地觀測(cè)對(duì)月球基地選址的影響因素分析，并根據(jù)分析結(jié)果初步確定月球基地選址集合，并根據(jù)實(shí)際任務(wù)要求初步確定各影響因素的權(quán)重。③利用已有的月球圖像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)和地質(zhì)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(kù)，并進(jìn)行評(píng)估指標(biāo)的量化處理，通過(guò)空間分析計(jì)算，并進(jìn)一步分析初選區(qū)科學(xué)目標(biāo)可實(shí)現(xiàn)性和技術(shù)可行性，對(duì)初選區(qū)域進(jìn)行評(píng)估。④建立優(yōu)化選址模型和評(píng)估矩陣，并利用合適算法進(jìn)行求解，在綜合科學(xué)目標(biāo)、技術(shù)可行性和各影響因素權(quán)重指標(biāo)的條件下，最終確定候選基地位置。

2.2 選址原則與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

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(shí)應(yīng)綜合考慮對(duì)各影響因素賦予的權(quán)重因子，利用科學(xué)的方法和原則最終確定月球基地的位置。地形條件、可觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)、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(duì)地觀測(cè)基地的體系建設(shè)，發(fā)展可對(duì)地、對(duì)天聯(lián)合多重觀測(cè)體系，是未來(lái)發(fā)展的需要，在選址過(guò)程中也要重點(diǎn)考慮。

根據(jù)國(guó)外項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，確定月基對(duì)地觀測(cè)的月球基地的選址原則為：①技術(shù)上可行，保證人員和設(shè)備的安全性和使用性，最大程度地滿(mǎn)足人類(lèi)利用月球進(jìn)行探測(cè)的能力；②科學(xué)目標(biāo)可實(shí)現(xiàn)，基于一個(gè)大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)的靈活的選址策略，盡量能夠滿(mǎn)足多學(xué)科要求[4]。

月基對(duì)地觀測(cè)的月球基地選址的影響因素包括操作約束、觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)、通信能力、能源需求、月球環(huán)境、系統(tǒng)性多重觀測(cè)體系等6個(gè)方面。通過(guò)對(duì)這些影響因素進(jìn)行分析，提出月基對(duì)地觀測(cè)的月球基地初選位置集合?；诔踹x位置的科學(xué)潛力、可操作性和資源環(huán)境等影響因素的進(jìn)一步分析，評(píng)估初選位置的價(jià)值，確定權(quán)重因子。對(duì)初選區(qū)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化選址，最終確定適合的位置。權(quán)重因子、選址策略和大規(guī)模的數(shù)據(jù)庫(kù)與選址結(jié)果密切相關(guān)，例如，如果某個(gè)區(qū)域一個(gè)特定資源對(duì)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)來(lái)說(shuō)是絕對(duì)的需求，那么這個(gè)區(qū)域，對(duì)于資源的含量和生產(chǎn)來(lái)說(shuō)就是高度約束，如果沒(méi)有對(duì)資源使用策略和資源重要性的影響因素進(jìn)行分析，那么進(jìn)行選址優(yōu)先級(jí)的判斷就比較困難。

3 月基對(duì)地觀測(cè)對(duì)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(duì)建立月基觀測(cè)平臺(tái)的影響，如果是多個(gè)觀測(cè)平臺(tái)，還需要考慮多個(gè)平臺(tái)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(duì)簡(jiǎn)單，其整個(gè)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(gè)月海，直徑各不相同，大的如風(fēng)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(gè)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(jì)表明，月面上直徑大于1 km的環(huán)形構(gòu)造總數(shù)在33 000個(gè)以上，大多數(shù)環(huán)形坑的周?chē)h(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(wǎng)狀輻射線[5]。

基地所在位置需要有一個(gè)較為平緩的區(qū)域用于觀測(cè)平臺(tái)的建立和儀器的安裝使用，一個(gè)合適的山坡或平整的月殼會(huì)給光譜儀等設(shè)備提供一個(gè)潛在的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，另外還應(yīng)該保證有些儀器距離幾千米配置一個(gè)，以保證儀器間的干擾降到最小。在月球表面進(jìn)行平臺(tái)和儀器的操作是非常復(fù)雜的，需要通過(guò)研究一個(gè)適宜的、安全有效的標(biāo)準(zhǔn)保證設(shè)備的可操作性，一些月球的基本環(huán)境數(shù)據(jù)，例如風(fēng)化層厚度等，會(huì)對(duì)操作的靈活性產(chǎn)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(gòu)建和月面探測(cè)器的著陸起飛等活動(dòng)。

3.2 觀測(cè)時(shí)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(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的周期相同，月球一面總是朝向地球。能滿(mǎn)足對(duì)地球上的同一地區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)段、可變視角的快速觀測(cè)，也能同時(shí)觀測(cè)到地球半球的全景。由于月球的距離達(dá)38萬(wàn)千米，月基對(duì)地觀測(cè)為大尺度地球科學(xué)現(xiàn)象的新認(rèn)識(shí)帶來(lái)可能。月基對(duì)地觀測(cè)基地位置應(yīng)該位于月球正面，只有在月球正面才能保證儀器的對(duì)地球指向性。

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

月球圍繞地球質(zhì)心作平面橢圓軌道運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為白道，月球和地球的赤道與其軌道的幾何關(guān)系如圖1所示。從月球極區(qū)對(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)，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(gè)周期持續(xù)的長(zhǎng)度是一個(gè)恒星月27.3天，地球保持連續(xù)可見(jiàn)大約是13天，這對(duì)某一地球宏觀科學(xué)現(xiàn)象的連續(xù)觀測(cè)是很有好處的。如果在除極區(qū)以外的地區(qū)，由于太陽(yáng)高度角隨月球緯度不同呈現(xiàn)周期變化，連續(xù)觀測(cè)時(shí)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(jìn)行方便可靠的通信，使觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)能夠發(fā)回地球，供科學(xué)家分析和研究。月球背面不具備與地球進(jìn)行直接通信的能力，若在月球背面設(shè)置月基觀測(cè)平臺(tái)，則需要發(fā)射一顆中繼衛(wèi)星用于進(jìn)行月基觀測(cè)平臺(tái)與地球的數(shù)據(jù)通信[6]。若將月基觀測(cè)平臺(tái)設(shè)在月球正面，由于地球的自轉(zhuǎn)影響，單個(gè)地面設(shè)施一般可以連續(xù)覆蓋月面10 h左右，如果需要對(duì)月球正面月基對(duì)地觀測(cè)基地進(jìn)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(cè)控臺(tái)站(終端)以及任務(wù)操作和支持網(wǎng)絡(luò)；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(duì)地觀測(cè)平臺(tái)和觀測(cè)儀器設(shè)備所需的電能供應(yīng)問(wèn)題[7]。月基對(duì)地觀測(cè)的特點(diǎn)要求觀測(cè)儀器能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)對(duì)地球宏觀科學(xué)現(xiàn)象及其變化進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，必須保證有能夠支持儀器長(zhǎng)期工作的充足的電能。儀器的電能供給可以通過(guò)兩種途徑解決：①采用大型太陽(yáng)能電池陣來(lái)保證月基觀測(cè)平臺(tái)和觀測(cè)儀器設(shè)備長(zhǎng)期工作的能源需求；②通過(guò)核同位素方式進(jìn)行電能供給。如果采用太陽(yáng)能電池陣的方式，太陽(yáng)翼發(fā)電功率就和月球基地緯度位置相關(guān)，緯度越低，當(dāng)?shù)卣绲奶?yáng)高度角越大，有效太陽(yáng)輻照度越大，對(duì)于提高太陽(yáng)翼的發(fā)電功率越有利。

圖2給出了月表有效太陽(yáng)輻照度隨月面緯度的變化關(guān)系，本文月面經(jīng)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(jīng)線為本初子午線，沿逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)?°～180°，順時(shí)針?lè)较?°～-180°；緯度以月球赤道為0°，北半球?yàn)檎?，南半球?yàn)樨?fù)[8]。由圖2可知，月表有效太陽(yáng)輻照度變化規(guī)律基本上是以月球赤道為對(duì)稱(chēng)軸，赤道區(qū)域有效太陽(yáng)輻照度最大，向月球兩極逐漸減弱。極區(qū)一年有效太陽(yáng)輻照度約為38.0 W·m-2，遠(yuǎn)小于月球赤道地區(qū)平均太陽(yáng)輻照度[9]，因此如果要在月球兩極設(shè)立月球基地，需要考慮電能供應(yīng)的問(wèn)題，必要時(shí)可以同時(shí)采用太陽(yáng)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(duì)選址的影響。

圖2 不同經(jīng)度月表有效太陽(yáng)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(gè)月球日內(nèi)的溫度變化Fig.3 Temperature changing with the selenographic longitudes in a lunar day

由于月球表面沒(méi)有大氣的熱傳遞，月表熱環(huán)境的特點(diǎn)是溫差大、晝夜過(guò)渡期間溫度變化快，白天受陽(yáng)光照射的地方，平均溫度可高達(dá)約400 K，而在太陽(yáng)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(zhǎng)期處于低溫環(huán)境，太陽(yáng)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(yáng)高度角變化情況不同，任意緯度處的最大太陽(yáng)高度角是其緯度的余角，最小太陽(yáng)高度角為0°，太陽(yáng)高度角變化越大，月面的溫度變化范圍越大，對(duì)熱控越不利。月球表面不同緯度地區(qū)在一個(gè)月球日內(nèi)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(gè)月球日內(nèi)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(shí)，溫度變化范圍從-180℃到-20℃左右，溫度變化范圍越小，對(duì)探測(cè)器和觀測(cè)設(shè)備實(shí)施熱控越有利。因此建立月基對(duì)地觀測(cè)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(shí)月基對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)必須進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，提供適宜恒定的環(huán)境溫度，保證設(shè)備正常工作。表1列出了在一個(gè)月球日內(nèi)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(wú)論是月基觀測(cè)平臺(tái)還是觀測(cè)設(shè)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(cè)儀器的工作溫度范圍內(nèi)。

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(cè)多重觀測(cè)體系因素

月基對(duì)地觀測(cè)的月球基地選址需要考慮系統(tǒng)化和多重觀測(cè)體系的發(fā)展方向。在月基對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)建立的初期，可以在一個(gè)最適合的地點(diǎn)設(shè)置觀測(cè)基地，隨著研究的進(jìn)行，可以在月球基地附近多個(gè)區(qū)域設(shè)置觀測(cè)平臺(tái)，發(fā)展可對(duì)地觀測(cè)、對(duì)空間天文觀測(cè)和對(duì)空間物理學(xué)探測(cè)的聯(lián)合多重觀測(cè)體系，對(duì)更多的科學(xué)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，最終形成一個(gè)月基科學(xué)觀測(cè)基地網(wǎng)。在進(jìn)行多重觀測(cè)體系選址和規(guī)劃過(guò)程中，需要注意各個(gè)觀測(cè)平臺(tái)位置和月球基地位置的關(guān)系，要有足夠的距離，保證有些儀器需要多臺(tái)布置以形成觀測(cè)陣列網(wǎng)，同時(shí)保證將儀器干涉和光學(xué)污染降到最小，月球基地和各觀測(cè)平臺(tái)之間要有互聯(lián)進(jìn)入的通道，保證月球基地不能被地形所孤立。

對(duì)天文觀測(cè)而言，月球基地位置的要求主要是基于天文觀測(cè)儀器的視場(chǎng)需求來(lái)決定的。對(duì)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和甚低頻干涉儀來(lái)說(shuō)，月球基地的選址需進(jìn)行地形、通信和輻射防護(hù)方面的考慮。如果月基天文平臺(tái)位于月球正面，應(yīng)該保證：天文平臺(tái)在重要的觀測(cè)時(shí)段，對(duì)麥哲倫星云的觀測(cè)高度角在15°以上；天文平臺(tái)位于平月球邊緣的5°～10°之內(nèi)和赤道10°以?xún)?nèi)，以保證地球可以進(jìn)入儀器視場(chǎng)，并總是在接近地平線的地方，保證光線對(duì)觀測(cè)的影響最小(東經(jīng)和西經(jīng)81.4°經(jīng)線是地球總是可見(jiàn)的界線)[1]；與地球的視域連線保證可以進(jìn)行對(duì)地通信；可以利用甚低頻探測(cè)儀進(jìn)行地球極光觀測(cè)；可以進(jìn)行日食觀測(cè)。

對(duì)于空間物理探測(cè)來(lái)說(shuō)，既包括對(duì)太陽(yáng)觀測(cè)也包含了地月空間物理探測(cè)。對(duì)于太陽(yáng)觀測(cè)的月球基地位置需求準(zhǔn)則有：太陽(yáng)成像儀、太陽(yáng)磁場(chǎng)觀測(cè)儀和太陽(yáng)常數(shù)觀測(cè)儀應(yīng)該放置在月球赤道及其附近區(qū)域，其中太陽(yáng)成像儀應(yīng)該放置在月球赤道±2°以?xún)?nèi)；在月球表面選擇一個(gè)大的平原區(qū)建設(shè)大陣列和觀測(cè)平臺(tái)，至少能夠設(shè)置1.5 km焦距長(zhǎng)度的太陽(yáng)成像儀。對(duì)月地空間物理的探測(cè)需要考慮地球輻射的影響，在經(jīng)度為180°，緯度為0°的位置點(diǎn)，更利于地球聲波的磁場(chǎng)特性觀測(cè)；一些觀測(cè)儀器對(duì)于背景輻射噪聲及其敏感，特別是月球風(fēng)化層克里普礦物(KREEP)元素的伽馬射線輻射，會(huì)對(duì)觀測(cè)儀器造成影響，因此月球基地選址應(yīng)該考慮在一個(gè)地球輻射背景較低的區(qū)域或者在一個(gè)低KREEP區(qū)，以減少輻射影響。

4 月球極區(qū)特點(diǎn)及初步評(píng)價(jià)

目前，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)和日本都在其月球探測(cè)計(jì)劃中構(gòu)想并設(shè)計(jì)在月球極區(qū)建立月球基地和國(guó)際月基天文臺(tái)。月球極區(qū)因有充足光照條件、特殊地形特點(diǎn)和地理位置以及水資源等因素，是未來(lái)月球著陸區(qū)和建設(shè)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(shì)有：①有持續(xù)的自然能源供應(yīng)區(qū)，月球極區(qū)永久光照的山頂，最佳持續(xù)光照時(shí)間可達(dá)95%，可提供持續(xù)的太陽(yáng)能給探測(cè)器的太陽(yáng)翼進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化，不需要考慮放射性同位素?zé)犭娛桨l(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(duì)于月球其他地區(qū)，具有良好的熱環(huán)境，不需要考慮長(zhǎng)達(dá)15天左右的月夜嚴(yán)寒，減少了熱控設(shè)計(jì)難度。③易進(jìn)行輻射防護(hù)，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(gè)年輕的直徑20 m的撞擊坑，其底部就可以通過(guò)撞擊坑壁得到充分的防護(hù)。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(wèn)題不但是重要的月球科學(xué)問(wèn)題，也是未來(lái)月球基地水資源供應(yīng)的選擇之一。

月球南極的阿蒙森地區(qū)，屬于高地類(lèi)型，坐標(biāo)(88°S、60°E)，月球正面，極區(qū)，在天平動(dòng)周期內(nèi)，在地球可視范圍，容易與地球通信。位于南極，有半個(gè)天區(qū)可見(jiàn)，可以作為天文臺(tái)，進(jìn)行空間天文觀測(cè)，有撞擊坑，適合射電天文觀測(cè)。因此可認(rèn)為，月球南極阿蒙森地區(qū)較為適宜作為月基對(duì)地觀測(cè)的選址點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

月基對(duì)地觀測(cè)的首要任務(wù)是在國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)的框架內(nèi)，依照科學(xué)目標(biāo)和工程任務(wù)能力對(duì)月基對(duì)地觀測(cè)的月球基地進(jìn)行選址，選址需要在遵循一定原則的情況下，開(kāi)展對(duì)操作約束、觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)、通信能力、能源需求、溫度條件、系統(tǒng)性多重觀測(cè)體系等6個(gè)選址影響因素的分析。為了確定既能滿(mǎn)足科學(xué)目標(biāo)又能保證安全的月球基地位置，科學(xué)家和工程技術(shù)人員還有很多工作要做，從美國(guó)成功實(shí)施阿波羅登月計(jì)劃至今，人類(lèi)對(duì)月球表面形態(tài)、礦物分布和空間環(huán)境有了一定認(rèn)識(shí)，但是距離真正實(shí)施月基對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)的建立難度還是相當(dāng)大的。同時(shí)，如何根據(jù)不同科學(xué)需求對(duì)各備選基地位置的影響因素賦權(quán)重因子也是難點(diǎn)之一，需要廣泛征求意見(jiàn)。

References)

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Guo Linli,Wang Ping,Zhu Enyong,et al. Manned lunar base project[M]. Beijing: China Astronautics Press,2013 (in Chinese)

(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(guó)家自然科學(xué)基金(41590851)

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

V476.3

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.018