月球目标监测风云二号静止气象卫星可见光辐射响应变化

月球的光度具有纪年级的稳定性,其辐照度可作为可见—近红外光谱辐射基准,基于此的月球辐射定标方法有望成为辐射定标的新方法之一。本文介绍一种利用月球目标作为稳定辐射定标源,结合月球辐照度模型,跟踪风云二号静止气象卫星遥感仪器可见光通道辐射响应变化的方法。通过轨道预报遴选出风云二号E星(FY-2E)的扫描辐射计2010年1月—2014年10月的对月观测数据,经过月球图像提取和筛选、月球照度模型计算、卫星观测月球照度模型计算、星—月—日距离校正等环节处理后,获取了FY-2E扫描辐射计可见光通道的辐射响应变化,并且与深对流云辐射定标方法进行了对比验证。主要结果:(1)利用月球辐射作为基准可有效监测遥感仪器可见光通道的辐射响应变化情况,通过线性回归分析发现FY-2E可见光通道的辐射响应总衰减率是9.2%,年衰减率为1.96%,95%置信区间的不确定度和稳定性指标分别为±0.79%和2.66,其结果与基于深对流云目标监测的仪器辐射响应结果相近;(2)FY-2E可见光通道较低的量化等级(6 bit)、杂散光影响等因素对利用月球进行辐射响应定标和跟踪监测有一定的影响;(3)FY-2E辐射响应除了衰减趋势,还存在周期性震荡的特点。基于月球目标的辐射定标方法能够有效监测卫星的辐射响应衰减,可作为星载遥感仪器辐射响应定标和检验的一种可靠手段,特别是针对卫星全生命周期的历史数据再定标,从而提高辐射定标精度。     

中国空间辐射测量基准技术

为确保数据的定量化应用,国际航天遥感大国始终围绕定标技术开展研究,定标精度不断提高。在经历数十年发展之后,受传统的遥感载荷定标系统设计以及地面辐射校正技术理论极限的制约,目前遥感卫星辐射定标停留在太阳反射谱段2%,红外谱段0.2 K的不确定性水平,其精度难以继续提高。进入21世纪,气候变化问题成为全球关注的热点,全球气候变化研究对遥感卫星辐射测量精度提出了前所未有的要求。ASIC³（Achieving Satellite Instrument Calibration for Climate Change）报告指出,为了有效检测全球气候变化信号,准确预测气候变化,遥感卫星观测必须长期保持在太阳反射谱段0.3%、红外谱段0.1 K,太阳总辐射0.01%的不确定性水平。为了迎接这一挑战,欧洲和美国相继提出了CLARREO计划和TRUTHS计划,试图通过发射具有超高辐射测量精度的基准卫星,在监测气候变化信号的同时,标定其他遥感卫星,提升全球遥感卫星整体定标精度。同期,中国也提出了空间辐射测量基准技术的概念,并在“十二五”和“十三五”,通过国家高技术研究发展计划和国家重点研发计划持续支持星上相变固定点黑体、空间低温辐射计等尖端技术的研发,进而逐渐形成发射空间辐射测量基准卫星的路线图。从目前发展态势上看,中国有可能成为第一个建立空间辐射测量基准的国家,率先实现卫星平台辐射观测直接向国际单位（SI）的溯源。     

月球表面实时温度模型

国外相关研究结果表明,月球表面的光度学稳定度可达10^-8/年,是自由空间内稳定的辐射参考源,可用于星载遥感仪器的外定标。与基于地球表面目标观测的在轨定标方法相比,最大的优势在于在轨月球观测信息中没有大气辐射的贡献,大气窗区和非窗区处理方式几乎一致。同时,作为整体发射率稳定的自然天体,月球表面的温度范围在90—390 K之间,完全满足通常对地观测探测的动态范围要求。月球复杂的表面辐射特性,是制约对月定标技术发展的主要原因之一。月球表面辐射特性与月表发射率、月表温度密切相关。月表温度分布是月球重要的热物理参数之一,是月球表面热演化模型的必要边界条件,同时也是研究月球表面发射谱的关键参数。获取月表温度的方法大致可以分为两大类：直接测量温度数据和建立物理模型预测。直接测量温度数据又可以细分为下面3种方法：地基遥感测量、绕月探测卫星遥感测量、登陆月球直接测量表面温度。地基观测的空间分辨率很低,只能反映出一大片区域的平均温度;另外两种方法花费巨大,且不能对全月的温度变化进行长期的观测。月表温度物理模型基于热传导理论,结合月壤样本的热物理参数,将月球当成半无限固体,根据Stefan-Boltzmann定律和能量守恒定律,得到月表物理温度和太阳辐照度、月球内部热流的关系。太阳辐照度是月表温度分布的最重要的因素。本文以天文计算为基础,准确描述月表有效太阳辐照度与太阳常数、太阳辐射入射角以及日月距离之间的关系,建立一个可以计算任意时刻、任意经纬度坐标点的月表温度模型,从而有助于准确描述月表辐射特性。与风云二号G星的观测结果对比,该模型可以准确描述月相的变化。阿波罗15号首次开展了一系列探索月球的科学试验,其中在登月点附近开展的月表热流试验是ALSEP（Apollo Lunar Surface Experiments Package）的重要组成部分。月表热流试验提供了登月点附近长时间的月表温度数据,通过与阿波罗15号实测数据进行对比,当太阳高度角大于0°时,该模型可以准确描述月球表面的温度变化;当太阳高度角在一定范围内时,模型的温度误差在1 K以内。     

月球表面遥感图像的地形辐射改正原理研究

研究了利用月球表面的数字高程模型和对应的卫星影像;分析了遥感图像像元亮度值与光辐射照度、月面地形(像元地面坡度、坡向)之间的定量关系;研究了月面遥感数字图像地形辐射改正的原理方法并实现月面遥感数字图像的地形辐射改正,生成无阴影正射月表遥感图像。     

陆地观测卫星图像模拟技术研究

卫星图像模拟是在卫星发射之前,采用计算机模拟方法模拟图像的波段特征、空间几何特征、辐射特征、星历数据和格式编排的一项技术。为研究陆地卫星图像模拟技术,回顾了我国过去6 a自主开发卫星遥感图像模拟系统的发展过程,介绍了图像模拟系统设计及关键技术的实现情况。目前该系统具备的模拟波段包括可见光、近红外到热红外波段,模拟的空间分辨率在300~3 m。在模拟过程中,采用遥感辐射传输模型实现光谱特征模拟;采用PROSPECT+SAIL模型模拟植被覆盖区的光谱,采用波谱库数据模拟非植被区的光谱;基于对大气辐射传输过程的线性分解,建立了大气辐射传输过程查找表(LUT),在保证一定模拟精度的前提下显著提高了模拟计算的速度;采用考虑地形起伏的高精度几何定位模型,逐像元计算出卫星观测视线与地球表层的交点,实现了几何信息的精确模拟;最后,采用卫星发射后的观测数据和实验场测量数据验证了该技术的模拟精度。     

红外遥感器自身引起的背景辐射研究

针对折反射光学型式的红外遥感器,结合各组件辐射的传输特性,建立系统自身辐射的计算模型,分析了遥感器自身热辐射所形成的背景辐射.通过将背景辐射与目标辐射相比较,分析其对红外探测的影响,并讨论了背景辐射影响的消除方法.最后,利用该模型分析了天宫一号高光谱成像仪红外观测谱段的背景辐射,并讨论了光瞳像差的影响.     

月球表面实时温度模型（英文）

国外相关研究结果表明,月球表面的光度学稳定度可达10–8/年,是自由空间内稳定的辐射参考源,可用于星载遥感仪器的外定标。与基于地球表面目标观测的在轨定标方法相比,最大的优势在于在轨月球观测信息中没有大气辐射的贡献,大气窗区和非窗区处理方式几乎一致。同时,作为整体发射率稳定的自然天体,月球表面的温度范围在90—390 K之间,完全满足通常对地观测探测的动态范围要求。月球复杂的表面辐射特性,是制约对月定标技术发展的主要原因之一。月球表面辐射特性与月表发射率、月表温度密切相关。月表温度分布是月球重要的热物理参数之一,是月球表面热演化模型的必要边界条件,同时也是研究月球表面发射谱的关键参数。获取月表温度的方法大致可以分为两大类:直接测量温度数据和建立物理模型预测。直接测量温度数据又可以细分为下面3种方法:地基遥感测量、绕月探测卫星遥感测量、登陆月球直接测量表面温度。地基观测的空间分辨率很低,只能反映出一大片区域的平均温度;另外两种方法花费巨大,且不能对全月的温度变化进行长期的观测。月表温度物理模型基于热传导理论,结合月壤样本的热物理参数,将月球当成半无限固体,根据Stefan-Boltzmann定律和能量守恒定律,得到月表物理温度和太阳辐照度、月球内部热流的关系。太阳辐照度是月表温度分布的最重要的因素。本文以天文计算为基础,准确描述月表有效太阳辐照度与太阳常数、太阳辐射入射角以及日月距离之间的关系,建立一个可以计算任意时刻、任意经纬度坐标点的月表温度模型,从而有助于准确描述月表辐射特性。与风云二号G星的观测结果对比,该模型可以准确描述月相的变化。阿波罗15号首次开展了一系列探索月球的科学试验,其中在登月点附近开展的月表热流试验是ALSEP(Apollo Lunar Surface Experiments Package)的重要组成部分。月表热流试验提供了登月点附近长时间的月表温度数据,通过与阿波罗15号实测数据进行对比,当太阳高度角大于0°时,该模型可以准确描述月球表面的温度变化;当太阳高度角在一定范围内时,模型的温度误差在1 K以内。     

基于可展开式太阳漫反射板的星上相对辐射定标

相对辐射定标的目的是降低或消除由于探测元件之间响应差异引起的图像高频竖向条纹或条带噪声,是遥感数据定量化应用的前提与基础。针对可展开式太阳漫反射星上定标装置,本文提出利用漫反射板收拢过程一次成像的星上相对辐射定标方法。通过卫星机械结构驱动漫反射板收拢调整传感器入瞳处太阳入射能量,获取覆盖传感器全部灰度动态范围的星上定标图像,采用直方图匹配算法解算相对辐射定标系数。为了验证本文提出的方法,利用在轨运行的吉林一号光谱星多光谱仪进行星上相对辐射定标实验,测试定标系数对原始图像的校正效果并定量分析相对辐射定标精度,实验结果表明定标系数能够有效消除全色与多光谱谱段地物原始图像的竖向高频条纹与条带噪声,定量分析的结果表明本文提出的方法在传感器灰度响应的全动态范围均能达到较好的校正效果,谱段相对辐射定标精度优于2%,为卫星在轨运行期间进行定量化遥感应用提供可靠保障。     

智能高光谱遥感卫星前视相机性能设计

高光谱遥感可以得到地物连续光谱信息,实现地物精细分类、目标高精度探测以及地物生化参量的定量化应用。传统的高光谱遥感器由于固定辐射动态范围,存在大量无效且冗余数据,给卫星载荷造成了巨大的存储压力。智能高光谱卫星关键技术之一在于利用前视相机预判辐射动态变化范围的方式辅助主相机成像模式调整,本文在智能遥感卫星系统概念的基础上,重点开展前视相机倾斜角设计、波段设置和辐射动态范围预测研究。研究表明:前视相机倾斜角需要综合考虑星上响应时间、单次成像距离和空间分辨率;考虑到云检测、气溶胶光学厚度和水汽含量反演等指标的实现,前视相机需要设置0.49μm、0.66μm、0.87μm、0.94μm、2.1μm等5个波段;0.4—1.0μm波段范围最大最小值辐亮度可以由有限波段进行预测。基于ENVI光谱库76条光谱数据,通过MODTRAN辐射传输模型模拟各类地物(植被、矿物、人造地物、土壤)在不同观测条件下的表观辐亮度,建立了在0.4—1.0μm波段内各类地物辐射动态最大值和最小值模拟模型,利用光谱库中其他光谱数据验证了各类地物辐射动态最大值和最小值模拟模型,各类地物最大值和最小值预测模型验证的拟合优度(R2)分别大于98%和75%,模型验证相对误差分别小于5%和25%;同时利用Hyperion影像,验证了植被类预测模型,最大值模拟模型验证相对偏差在5%内,最小值模拟模型验证相对偏差在10%内。以上研究为智能高光谱卫星主相机的辐射动态范围调整提供了重要依据。     

基于月球反射的遥感器定标跟踪监测

月亮辐照度是可见近红外波段一种稳定的辐射参考基准,对月观测已成为星载遥感仪器辐射定标和验证的一种新方法。风云三号03星(FY-3C)中分辨率光谱成像仪(Moderate Resolution Spectral Imager,MERSI)增加了对月观测功能,改进了太阳反射波段的在轨辐射定标。本文收集分析了MERSI在轨工作以来的全部11组对月观测数据,利用通道间辐照度比值方法移除月相角,日—月—星相对距离等因素对月亮辐照度观测值的影响,开展了可见光近红外波段的辐射定标工作,实现了MERSI太阳反射通道的辐射定标系数动态跟踪和评估。通过线性回归及统计发现,通道8辐射响应的年衰减率达到了14.55%,通道9达到了8.42%,通道1、6、10、11、16和19的年衰减率为1.15%—4.72%,其余通道未检测到衰减。研究结果可以用于订正MERSI数据的辐射定标系统性偏差,提高MERSI全寿命期的辐射定标精度。     

Spectral studies of lunar equivalent rocks — A prelude to lunar mineral mapping

Hyperspectral remote sensing technique is widely applied for geological studies including the study of extra-terrestrial rocks. Since it has many spectral bands, discrimination between rocks and minerals can be done more precisely. To perform chemical and mineralogical mapping and to study the rocks on the lunar surface, India has proposed to launch its first lunar remote sensing satellite Chandrayaan-1 in the year 2008. For mineralogical mapping, the mission will carry a Hyperspectral Imager (HySI) instrument, which operates in the VNIR region. This paper presents-an attempt to study the spectral response of lunar-akin terrestrial rocks, in the VNIR region (as in the case of the proposed HySI on-board Chandrayaan-1). For this purpose, rocks similar to those present on the lunar surface were collected and their spectral response in the 64 simulated bands of HySI sensor were studied using a spectro-radiometer. Petrographic studies and modal analysis were carried out using thin sections of the rock samples. On studying the spectral response of the lunar-like rock samples in the 64 HySI bands, it is seen that there are distinct absorption features in bands 58 (923.75nm-927.5nm) and 63 (942.5nm-946.25nm) of the NIR wavelength ranges, for basalt rocks; distinct reflectance features in band 20 (590nm to 600nm) for ganmbbro: distinct reflectance features in band 19 (580nm to 590nm) and absorption in band 18 (570-580nm) for gabbroic anorthosite and distinct reflection features in band 63 (942.5nm to 946.25nm) for anorthosite. Thus, this study demonstrates the possibility of identifying the minerals and rocks on lunar surface using the hyperspectral approach and the spectral signatures of lunar-like rocks present on Earth.     

月球重力场模型研究进展和我国将来月球卫星重力梯度计划实施

本文介绍了基于国际探月观测数据建立的月球重力场模型:8×4、15×8、13×13、5×5、7×7、16×16-1/2/3、Lun60d、GLGM-1/2、LP75D/G、LP100K/J、LP165P、LP150Q和SGM90d;通过对比SST-HL/LL-Doppler-VLBI和SST-HL/SGG-Doppler-VLBI跟踪观测模式的优缺点,建议我国将来首期月球卫星重力测量计划采用SST-HL/SGG-Doppler-VLBI较优;其次,通过对比静电悬浮、超导和量子卫星重力梯度仪的优缺点,建议我国将来首期月球卫星重力梯度计划采用静电悬浮重力梯度仪;并建议我国将来首颗月球重力梯度卫星的轨道高度(50～100 km)选择在已有月球探测卫星的测量盲区,轨道倾角(90°±3°)设计为有利于月球卫星观测数据全球覆盖的近极轨模式。     

A simulation study of multi-beam altimetry for lunar reconnaissance orbiter and other planetary missions

The combined use of altimetry, Earth-based Doppler and Earth-based range measurements in the lunar reconnaissance orbiter (LRO) mission (Chin et al. in Space Sci Rev 129:391–419, 2007) has been examined in a simulation study. It is found that in the initial phases of the mission orbit and altimeter geolocation accuracies should be better than 10 m in the radial component and 60 m overall. It is demonstrated that LRO’s precise 1-way laser range measurement from Earth-based stations (Smith et al. in Proceedings of the 15th International Laser Ranging Workshop, Canberra, Australia, October 15–20, 2006) will be useful for gravity recovery. The advantages of multiple laser beams are demonstrated for altimeter calibration, orbit determination and gravity recovery in general planetary settings as well as for LRO.     

VLBI技术测月的数学模型探讨

近年各国已纷纷制定测月计划,采用何种技术对月球进行定位,变得尤为重要。本文通过对VLBI技术特点进行分析,VLBI是目前大地测量中精度最高的技术手段,但只适用于深空探测,因为深空射电信号到达地面时,可看作平行信号。本文针对VLBI技术特点及数学模型,对存在不可忽略视差的VLBI测月模型,通过级数展开,解决月面射电信号到达地球时的视差问题,并顾及地球自转得出最终数学模型,通过站间一次差分消除钟差等影响,得出VLBI对近轨天体(月球)表面射电源定位的数学模型。     

月球遥感制图回顾与展望

对月球探测任务、月球遥感制图技术与产品进行综述。从1958年开始,全世界已开展126次(其中70次成功)月球探测工程任务,其中月球遥感制图是其必需的基础性工作。由于月球环境的特殊性,其遥感制图技术与对地观测制图相比具有很大的挑战和更大的难度。目前,中国嫦娥二号轨道器获取的7 m分辨率立体影像是覆盖全月球分辨率最高的立体影像数据,美国月球侦察轨道器LRO任务的激光雷达高度计LOLA数据是精度和密度最高的激光测高数据,LRO NAC影像的分辨率最高(0.5—2 m)但未覆盖全球。在各个探测任务中,基于月球遥感数据和摄影测量技术,已经制作了大量的全球及区域的影像拼图、正射影像图和数字高程模型等制图产品。对月球遥感制图技术发展进行展望,探讨了利用国际多探测任务数据建立新一代控制网和进行精细制图的必要性及技术思路。     

月球轨道器影像摄影测量制图进展及应用

本文对月球轨道器影像摄影测量制图技术进展、产品及应用进行综述,着重介绍了月球轨道器影像几何模型构建与精化、月球遥感影像与数字高程模型配准、多重覆盖影像择优方法及大区域制图等新技术的进展与应用。结合我国的嫦娥工程任务,阐述了月球轨道器摄影测量制图在工程及科学研究中的应用。最后对月球轨道器摄影测量制图技术未来的发展进行展望和探讨。     

Tropospheric refractivity and zenith path delays from least-squares collocation of meteorological and GNSS data

Precise positioning requires an accurate a priori troposphere model to enhance the solution quality. Several empirical models are available, but they may not properly characterize the state of troposphere, especially in severe weather conditions. Another possible solution is to use regional troposphere models based on real-time or near-real time measurements. In this study, we present the total refractivity and zenith total delay (ZTD) models based on a numerical weather prediction (NWP) model, Global Navigation Satellite System (GNSS) data and ground-based meteorological observations. We reconstruct the total refractivity profiles over the western part of Switzerland and the total refractivity profiles as well as ZTDs over Poland using the least-squares collocation software COMEDIE (Collocation of Meteorological Data for Interpretation and Estimation of Tropospheric Pathdelays) developed at ETH Zürich. In these two case studies, profiles of the total refractivity and ZTDs are calculated from different data sets. For Switzerland, the data set with the best agreement with the reference radiosonde (RS) measurements is the combination of ground-based meteorological observations and GNSS ZTDs. Introducing the horizontal gradients does not improve the vertical interpolation, and results in slightly larger biases and standard deviations. For Poland, the data set based on meteorological parameters from the NWP Weather Research and Forecasting (WRF) model and from a combination of the NWP model and GNSS ZTDs shows the best agreement with the reference RS data. In terms of ZTD, the combined NWP-GNSS observations and GNSS-only data set exhibit the best accuracy with an average bias (from all stations) of 3.7 mm and average standard deviations of 17.0 mm w.r.t. the reference GNSS stations.