黃 靖，郭華東，劉 廣，鄧 玉

（1.中國(guó)科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；3.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871）

引 言

地球系統(tǒng)科學(xué)強(qiáng)調(diào)地球各圈層（包括大氣圈、水圈、生物圈等）之間的動(dòng)態(tài)作用[1-3]。作為地球系統(tǒng)科學(xué)的重要組分之一，由太陽(yáng)入射能量和地球出射能量組成的地球輻射收支可以很好地回答地球是在釋放能量還是在積累能量這一問(wèn)題。而獲取全球尺度無(wú)偏測(cè)量絕對(duì)校準(zhǔn)地球輻射能量數(shù)據(jù)是回答這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

目前地球輻射收支的直接探測(cè)方式主要是通過(guò)星載平臺(tái)觀測(cè)。最初是在“雨云號(hào)”（Nimbus）6和7上布設(shè)寬視場(chǎng)和窄視場(chǎng)的地球輻射收支儀等設(shè)備測(cè)量地球大氣系統(tǒng)的能量收支[4]。在空間分辨率方面，寬視場(chǎng)輻射計(jì)的視場(chǎng)大小為幾千km，而窄視場(chǎng)輻射計(jì)可以獲得10～100 km的空間分辨率。但是窄視場(chǎng)輻射計(jì)無(wú)法直接測(cè)量輻射通量，需要借助角度分布模型將測(cè)量到的輻射亮度轉(zhuǎn)化為輻射通量，從而獲得各種地球輻射收支產(chǎn)品[5]。20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）等研制的新一代地球輻射收支實(shí)驗(yàn)儀器（Earth Radiation Budget Experiment,ERBE）搭載在地球輻射收支衛(wèi)星、NOAA 9、NOAA 10上來(lái)觀測(cè)地球輻射收支，每顆衛(wèi)星都通過(guò)機(jī)載掃描儀和輻射計(jì)分別測(cè)量了長(zhǎng)波和短波輻射[6-7]。1997年以來(lái)，云和地球輻射能量系統(tǒng)（Clouds and the Earth’s Radiant Energy System,CERES）為地球輻射提供了新的數(shù)據(jù)。每一臺(tái)CERES都設(shè)計(jì)有短波波段（0.2～5 um）和總波段（0.2～100 um），長(zhǎng)波波段的輻射由總波段減去短波波段得到[8]。為了得到高精度測(cè)量的數(shù)據(jù)，儀器在地面和飛行中都進(jìn)行了校準(zhǔn)[9-10]。與早期測(cè)量地球輻射能量的儀器相比，CERES提供了更高的空間分辨率、精度和長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)[5,8,11]。在中國(guó)，測(cè)量地球向外輻射能量也是“風(fēng)云三號(hào)”的主要任務(wù)之一，其上攜帶的儀器可以觀測(cè)地球反射的太陽(yáng)短波輻射和地球發(fā)射的長(zhǎng)波輻射，開辟了極軌氣象衛(wèi)星觀測(cè)地球向外輻射能量之路[12]。2015年，深空氣候觀測(cè)臺(tái)（Deep Space Climate Observatory,DSCOVR）發(fā)射，它位于距離地球150萬(wàn)km的日地L1拉格朗日點(diǎn)的Lissajous軌道上，可以連續(xù)觀測(cè)到地球受太陽(yáng)光照面，提供地球臭氧、云層、植被和氣候數(shù)據(jù)，為觀測(cè)地球提供了全新的視場(chǎng)[13-14]，其上布設(shè)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所輻射計(jì)（National Institute of Standards and Technology Advanced Radiometer,NISTAR）和地球多色成像儀（Earth Polychromatic Imaging Camera,EPIC），其中NISTAR將地球視為一個(gè)像素，可測(cè)量太陽(yáng)光照面輻照度，幫助量化地球輻射收支[3]。縱觀地球向外輻射能量探測(cè)歷程，獲得更高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)是其目標(biāo)所在。為了盡可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一種策略是減少傳感器校準(zhǔn)誤差[15]，另一種是盡可能實(shí)現(xiàn)全球觀測(cè)，如利用衛(wèi)星星座進(jìn)行協(xié)同觀測(cè)[16-17]。

月球是地球的一顆天然衛(wèi)星，相比其他人造衛(wèi)星，月球有許多獨(dú)特之處[1]。首先，地月之間具有“潮汐鎖定”效應(yīng)加之地月之間距離很遠(yuǎn)，在月球上布設(shè)傳感器可以看到幾乎整個(gè)地球半球，獲取到觀測(cè)范圍內(nèi)地球系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。其次，月球表面有充足的空間可布設(shè)傳感器，科學(xué)家們已經(jīng)研究了月球表面環(huán)境對(duì)于傳感器的影響以及在何種位置布設(shè)傳感器最適合對(duì)地觀測(cè)[18-19]。另外，因月球軌道的特殊性，可使得月球以更多的角度觀測(cè)地球。這些獨(dú)特性使得月球成為觀測(cè)地球輻射能量絕佳的平臺(tái)。

月基觀測(cè)地球輻射收支具有一些特性：①其軌道高度達(dá)到38萬(wàn)km，月基傳感器可以將地球當(dāng)作類點(diǎn)狀輻射源，對(duì)幾乎整個(gè)地球半球的向外輻射能量進(jìn)行空間一致、角度連續(xù)的整體觀測(cè)，由此，月基平臺(tái)可以滿足其盡可能小的時(shí)空采樣誤差的需求[1]；②變化的月球赤緯角使得在月基對(duì)地觀測(cè)具備觀測(cè)角度可變的特點(diǎn)，而變化的“日-地-月”位置關(guān)系將會(huì)給予傳感器視場(chǎng)中地物的多樣觀測(cè)角度組合，由此，月基平臺(tái)可以滿足其多樣化角度采樣需求[20]；③月面具有廣袤的傳感器布設(shè)空間，壽命也遠(yuǎn)超于普通人造衛(wèi)星，因此月基傳感器能夠提供長(zhǎng)期、一致的時(shí)間序列觀測(cè)數(shù)據(jù)，這將有利于揭示地球向外輻射能量的長(zhǎng)期變化規(guī)律[1]。

以往主要的衛(wèi)星平臺(tái)都未提供完整的地球半球同步視圖。低軌道衛(wèi)星平臺(tái)每隔幾h對(duì)地球采樣一次，采樣范圍為2 000～3 000 km寬的條帶狀[8]。通過(guò)把條帶拼接在一起，可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。地球同步軌道衛(wèi)星的視場(chǎng)以地球赤道為中心，受地球曲率的影響，南北緯70°以上的區(qū)域是無(wú)法被其觀測(cè)到的[21]。然而，全球尺度視角是相當(dāng)重要的，它可觀測(cè)到地球輻射收支隨著大氣層頂云分布的變化。目前采用的全球觀測(cè)是將低軌和同步軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái),例如，Doelling等[22-23]將CERES和GEOs數(shù)據(jù)產(chǎn)品結(jié)合起來(lái)獲取全球數(shù)據(jù)。月基平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)全球觀測(cè)，從而填補(bǔ)現(xiàn)有平臺(tái)的不足，目前最先進(jìn)的探測(cè)地球向外輻射的傳感器是搭載在DSCOVR上的NISTAR，它的觀測(cè)精度為0.1%～1.5%，視場(chǎng)角1°，這類傳感器能夠滿足月基對(duì)地觀測(cè)需求。為了真正研究月球平臺(tái)觀測(cè)地球向外輻射的幾何優(yōu)勢(shì)，本文進(jìn)行了模擬研究，生成了地球向外輻射的圖像，探索了月球平臺(tái)的觀測(cè)能力。

1 地月幾何關(guān)系及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

本節(jié)介紹了從月基平臺(tái)觀測(cè)地球向外輻射的模擬方法。主要基于地球上地物與月基平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，首先介紹了地月之間的幾何關(guān)系。模擬了大氣層頂?shù)孛?00 km高度地球向外輻射，地球地形可以忽略。由于地月之間距離較大，月基平臺(tái)的高度所引起的與距離有關(guān)的地球輻射能量的模擬誤差同樣也可以忽略。

1.1 幾何關(guān)系描述

圖1給出了地月之間的幾何關(guān)系示意圖?？煽闯?，從月球可一次觀測(cè)整個(gè)面向月球的地球半球，并且在一個(gè)軌道周期可觀測(cè)到地球全部區(qū)域。另外，地球赤道與月球平面軌道夾角為18.3°～28.3°，能夠觀測(cè)整個(gè)極地區(qū)域。傳感器適合觀測(cè)整個(gè)地球的視場(chǎng)是1.79°～1.95°。

圖1 地月幾何關(guān)系示意圖Fig.1 Geometry relationship between Earth and Moon

從月球上對(duì)地球觀測(cè)可實(shí)現(xiàn)空間連續(xù)和時(shí)間一致性觀測(cè)，這種時(shí)間一致和空間連續(xù)性的大尺度觀測(cè)和反演無(wú)疑為理解地球系統(tǒng)科學(xué)提供了新的材料，有助于補(bǔ)充以后的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)。此外，與星載平臺(tái)不同的是，因月球表面空間廣闊，可選擇不同位置布設(shè)傳感器，隨之帶來(lái)的對(duì)地球的能見(jiàn)度、視線向量和觀測(cè)時(shí)間也有所不同。因此，月基平臺(tái)布設(shè)位置需要進(jìn)行精確計(jì)算。

1.2 模擬方法

基于地月幾何關(guān)系，提出了涉及一系列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的仿真方法。它的核心是將在地球上在觀測(cè)視野中的地物位置與圖像坐標(biāo)對(duì)應(yīng)起來(lái)，這個(gè)過(guò)程可分為兩步：①通過(guò)國(guó)際地球參考系（International Terrestrial Reference System，ITRS）到月表站心參考系（lunar topocentric system，LT）的轉(zhuǎn)換，將地球上點(diǎn)的位置轉(zhuǎn)換到LT坐標(biāo)系中，LT坐標(biāo)系原點(diǎn)位于月基平臺(tái)，z軸指向天頂方向，n軸指向月球北極方向，此外傳感器視線向量和在此坐標(biāo)系下的地球上的點(diǎn)都可用高度角和方位角表示；②一一映射過(guò)程本質(zhì)上是描述傳感器視線向量與地面點(diǎn)的幾何關(guān)系，定義一個(gè)圖像坐標(biāo)系，原點(diǎn)是視線向量穿過(guò)的點(diǎn)，x軸平行于當(dāng)?shù)氐仄矫妫瑈軸是高度角變化方向。

總之，本文提出的仿真方法是利用月基平臺(tái)與地面點(diǎn)的幾何關(guān)系來(lái)模擬月基傳感器獲得的圖像，從而對(duì)月基對(duì)地向外輻射模擬進(jìn)行更詳細(xì)的幾何分析。

1.3 地面點(diǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

地面上的點(diǎn)經(jīng)歷了一系列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，首先位于ITRS坐標(biāo)系下，為了將其與月基平臺(tái)聯(lián)系起來(lái)，需采用美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）發(fā)展的行星星歷，將地面點(diǎn)轉(zhuǎn)化到慣性坐標(biāo)系下，及地心天球參考系（Geocentric Celestial Reference System,GCRS），之后利用月球天平動(dòng)歐拉角將其轉(zhuǎn)化到月心天球參考系（Selenocentric Celestial Reference System,SCRS）。此時(shí)，地面點(diǎn)已經(jīng)可以表達(dá)為在月心參考系下月球表面某一位置坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換公式如下

其中：（xT,yT,zT）T是地面點(diǎn)在ITRS坐標(biāo)系下的表達(dá)；（xL,yL,zL）T是其在LT坐標(biāo)系下的表達(dá)；（xM,yM,zM）T是月球在GCRS下的表達(dá)；M為月心坐標(biāo)系到地平坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；C和L是月球姿態(tài)矩陣；P,N,Rz,W,B是地球方向的變換矩陣。因此，地面點(diǎn)在月心坐標(biāo)系下可以表示為另一種形式

1.4 一一映射過(guò)程

為實(shí)現(xiàn)地面點(diǎn)到圖像點(diǎn)的一一映射，需建立圖像坐標(biāo)系。如圖2所示，圖像坐標(biāo)系是場(chǎng)景映射到傳感器鏡頭上的部分，假設(shè)地球上的點(diǎn)到傳感器觀測(cè)視場(chǎng)這個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了日晷投影，投影中心就是視線向量的方向，將視線向量l用高度角和方位角表示成(λc,φc)，從圖2中可以看出，點(diǎn)的位置向量記為p，其坐標(biāo)為(λL,φL)。

圖2 映射關(guān)系示意圖Fig.2 Diagram of mapping relationship

當(dāng)映射到圖像平面上時(shí)，圖像坐標(biāo)系上的位置取決于月基傳感器鏡頭和投影中心之間的距離以及視線向量于地面上的點(diǎn)位置向量之間的夾角。因此，月心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)到圖像坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換可以表示為

其中，(x,y)代表圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

2 月基地球向外輻射能量模擬

本節(jié)建立了實(shí)驗(yàn)?zāi)M月基傳感器觀測(cè)到的地球向外輻射能量。使用戈達(dá)德地球觀測(cè)系統(tǒng)模型第五版（Goddard Earth Observing System model version 5,GEOS-5）數(shù)據(jù)集作為模型的輸入。其空間分辨率為0.25°，時(shí)間分辨率可達(dá)每小時(shí)。在0.25°×0.25°格網(wǎng)中，觀測(cè)天頂角變化非常小。因此，本文將0.25°×0.25°格網(wǎng)數(shù)據(jù)集成為1°×1°?？臻g聚集使用氣候數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工具箱完成。

2.1 月基對(duì)地觀測(cè)空間覆蓋特性

本文要模擬的參數(shù)是GEOS-5得到的地球向外長(zhǎng)波和短波輻射。在此之前，作為衡量觀測(cè)性能的重要參數(shù)，計(jì)算月基對(duì)地觀測(cè)空間覆蓋是模擬的基礎(chǔ)，而月球軌道的特殊性導(dǎo)致了其空間覆蓋多樣性。利用仿真方法，可得到月球平臺(tái)觀測(cè)范圍內(nèi)的覆蓋性能，計(jì)算流程如圖3所示。圖4是月基視場(chǎng)觀測(cè)地球情景，由于地月距離較遠(yuǎn)，因此觀測(cè)視場(chǎng)幾乎為地球整個(gè)半球。從4（b）中可以看出，緯度的覆蓋范圍為71°N～90°S，可以觀測(cè)到南極和南極洲。當(dāng)星下點(diǎn)緯度在28°N時(shí)，如圖4（a）所示，月基平臺(tái)可觀測(cè)到北極和整個(gè)北極地區(qū)。從理論上講，當(dāng)星下點(diǎn)的緯度大于23°N或23°S時(shí)，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)極圈區(qū)域的觀測(cè)。至于經(jīng)向覆蓋性能，圖4（c）表明，一般來(lái)說(shuō)，月基平臺(tái)可覆蓋地球大范圍的經(jīng)度，大約為178°E～178°W。在一天內(nèi)，它可覆蓋地球的所有經(jīng)度。由于目前中國(guó)探月工程四期相關(guān)任務(wù)計(jì)劃在月球南極建立月球科研站，王海榮等考慮月基傳感器布設(shè)在月球南極的情況，從觀測(cè)時(shí)間窗口及觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)這兩方面分析了月基對(duì)地觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)月基傳感器此時(shí)可對(duì)地球進(jìn)行約一半時(shí)間的觀測(cè)且最長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)可達(dá)150多d。因此，當(dāng)月基傳感器布設(shè)在南極時(shí)，也可對(duì)地球進(jìn)行較好的觀測(cè)。

圖3 月基平臺(tái)觀測(cè)范圍覆蓋性能流程圖Fig.3 Flow chart of Moon-based Earth observational coverage performance

圖4 月基觀測(cè)地球視場(chǎng)圖Fig.4 Earth spatial coverage from a Moon-based platform

另一個(gè)表示月基覆蓋特征的參數(shù)是每日空間覆蓋，星下點(diǎn)位置是月基平臺(tái)每日覆蓋性能的關(guān)鍵因子，通過(guò)整合每小時(shí)模擬圖像來(lái)估算每日空間覆蓋。結(jié)果表明，由于月球相對(duì)于地球的緯向速率約為每天3°，觀測(cè)范圍的緯向速率較慢，而經(jīng)向速度恒定，因此，當(dāng)星下點(diǎn)移動(dòng)到地球赤道附近時(shí)，月基平臺(tái)可在一天內(nèi)觀測(cè)幾乎整個(gè)地球，包括北半球和南半球的極區(qū)。當(dāng)星下點(diǎn)移動(dòng)到南北緯15°以上時(shí)，情況完全不同，月基平臺(tái)不能在一天觀測(cè)整個(gè)地球，最低的日覆蓋面積約為地球的88.8%，取決于星下點(diǎn)的緯度。然而，從一個(gè)或更長(zhǎng)的軌道周期來(lái)看，地球上的所有區(qū)域都可以觀測(cè)到。

中國(guó)探月工程四期相關(guān)任務(wù)計(jì)劃在月球南極建立月球科研站，因此在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，該月基傳感器最可能布設(shè)的位置是月球南極附近，傳感器位于月球南極地區(qū)對(duì)地球南北極進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間窗口和觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)如圖5及圖6：

圖5 傳感器位于月球南極觀測(cè)地球[24]Fig.5 Time window of North Pole and South Pole of the Earth when the Moon-based sensor is located at the South Pole of the Moon[24]

圖6 傳感器位于月球南極觀測(cè)地球[24]Fig.6 Observation duration of North Pole and South Pole of the Earth when the Moon-based sensor is located at the South Pole of the Moon[24]

圖5中黑色代表不可見(jiàn)，白色代表可見(jiàn)。從圖5中可以看出，當(dāng)月基傳感器布設(shè)在月球南極時(shí)，也可以對(duì)地球進(jìn)行約一半時(shí)間的觀測(cè)，圖6為觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)，可發(fā)現(xiàn)最長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)可達(dá)150多d。因此，當(dāng)月基傳感器布設(shè)在南極時(shí)，也可以對(duì)地球進(jìn)行較好的觀測(cè)。

2.2 月基對(duì)地觀測(cè)角度特性

由于地月之間距離較遠(yuǎn)并且月球軌道傾角不斷變化，因此月基對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)在觀測(cè)角度上存在特殊性。同樣，地月距離使得月基平臺(tái)在角度分布方面不同于傳統(tǒng)星載平臺(tái)。為了對(duì)此進(jìn)行研究，模擬了觀測(cè)視場(chǎng)瞬時(shí)角度分布，對(duì)地觀測(cè)角度用觀測(cè)天頂角和觀測(cè)方位角表示，如圖7（a）所示，可以看出其呈現(xiàn)同心圓狀分布，假設(shè)月基傳感器直視星下點(diǎn)，圓心為星下點(diǎn)所在位置，其觀測(cè)天頂角為0°，其值沿同心圓半徑逐漸增大，在觀測(cè)視場(chǎng)邊緣區(qū)域，觀測(cè)天頂角達(dá)到90°。觀測(cè)方位角的分布如圖7（b）所示，其值范圍為0°～360°，值得注意的是，圖中有一條很明顯的線，為方位角0°與360°的分界線，與觀測(cè)高度角不同的是，觀測(cè)方位角0°與360°是完全重合的。

圖7 觀測(cè)天頂角分布及觀測(cè)方位角分布Fig.7 Distribution of zenith angle and azimuth angle

月球軌道傾角的變化會(huì)影響星下點(diǎn)的緯度從而影響觀測(cè)視場(chǎng)邊緣區(qū)域在緯向上的觀測(cè)角度。觀測(cè)方位角主要取決于圖像中地球的方位，受軌道傾角的影響不大，而星下點(diǎn)的位置決定了觀測(cè)視場(chǎng)內(nèi)地球各點(diǎn)的觀測(cè)天頂角。圖8分別為星下點(diǎn)緯度28°N和28°S時(shí)觀測(cè)天頂角的分布，這是兩種極端的情況。由圖中可見(jiàn)，隨著經(jīng)緯度的改變，觀測(cè)視中的觀測(cè)天頂角都會(huì)發(fā)生改變。尤其這兩種特殊情況下，星下點(diǎn)處天頂角值最小，隨著與星下點(diǎn)距離的增加，觀測(cè)天頂角逐漸增大，由于地月之間距離較大，其變化速率并不快，在北緯70°的區(qū)域，觀測(cè)天頂角仍處于一直相對(duì)低的數(shù)值，大約為45°，而在極區(qū)，觀測(cè)天頂角值達(dá)到60°。

2.3 地球向外輻射能量月基模擬

圖9顯示了月基視場(chǎng)下地球向外輻射隨著時(shí)間的變化，分別為長(zhǎng)波〔參見(jiàn)圖8（a）〕和短波〔參見(jiàn)圖8（b）〕輻射。需要說(shuō)明的是，圖中每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的輻射數(shù)值都是通過(guò)模擬圖像中地球各格網(wǎng)的平均值計(jì)算的。由于GEOS-5數(shù)據(jù)是由經(jīng)緯度格網(wǎng)組成的，因此使用了觀測(cè)方向加權(quán)。從圖中可以清楚的看出，不管是長(zhǎng)波還是短波都呈現(xiàn)出明顯的周期性。根據(jù)月基觀測(cè)幾何可知，星下點(diǎn)位置決定了觀測(cè)視場(chǎng)的范圍，而觀測(cè)范圍分量變化是周期變化的來(lái)源。如圖9（b）所示，月基傳感器捕捉到的短波輻射隨著地球面向月球半球被太陽(yáng)照射部分的比例變化而變化。當(dāng)?shù)厍虼蟛糠謭A盤都不可見(jiàn)時(shí)，短波輻射數(shù)值較低，因此短波隨時(shí)間變化有著較大的變化。盡管有著這些特征，仍不難看出其存在小的周期。短波輻射的日變化部分是由地物的變化引起的。長(zhǎng)波輻射的范圍為230～270 W/m2，符合日周期的變化規(guī)律，也是由于地球旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的地物變化引起的。陸地和海洋在觀測(cè)視場(chǎng)中比例的改變會(huì)造成較大的日變化。此外，隨著星下點(diǎn)的改變，南半球或北半球高緯度地區(qū)逐漸出現(xiàn)在觀測(cè)視野中。因此，長(zhǎng)波輻射呈現(xiàn)出軌道周期性和季節(jié)變化。

圖8 觀測(cè)天頂角在星下點(diǎn)緯度為28°N和 28°S時(shí)的分布Fig.8 Distribution of zenith angle when the nadir point is at 28°N and 28°S

圖9 月基觀測(cè)一年內(nèi)地球向外長(zhǎng)波和短波輻射變化Fig.9 Variations of Earth outgoing longwave and shortwave radiation from a Moon-based platform in one year

3 結(jié) 論

本文基于月基平臺(tái)觀測(cè)到的地面點(diǎn)位置與圖像坐標(biāo)點(diǎn)的一一映射關(guān)系，模擬了月基觀測(cè)地球向外輻射能量。通過(guò)地月之間的幾何關(guān)系和坐標(biāo)定義，將地球上的點(diǎn)與月基平臺(tái)統(tǒng)一到相同坐標(biāo)系下，然后給定傳感器指向方向參數(shù)（觀測(cè)高度角和方位角），建立一一映射數(shù)學(xué)關(guān)系。月基平臺(tái)可以觀測(cè)到地球大部分區(qū)域，一天內(nèi)地球上至少88.8%的區(qū)域可被觀測(cè)到，在一個(gè)軌道周期內(nèi)，地球上所有區(qū)域都可被觀測(cè)到。月球軌道變傾角使得地球的整個(gè)極區(qū)都可被月球觀測(cè)到。為了理解觀測(cè)視野內(nèi)被觀測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)，對(duì)觀測(cè)角度分布進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示：星下點(diǎn)區(qū)域有最小的觀測(cè)高度角，中高緯度地區(qū)觀測(cè)高度角數(shù)值更高，在南/北極地區(qū)可以達(dá)到60°?；诖四M算法以GOES-5數(shù)據(jù)為輸入，模擬出地球向外輻射長(zhǎng)波及短波能量圖像，探尋其隨時(shí)間變化規(guī)律。

本文的模擬研究為月基傳感器觀測(cè)到的地球向外輻射提供了一個(gè)直觀的結(jié)果，該模擬結(jié)果有助于研究地球向外輻射及其幾何關(guān)系。目前最先進(jìn)的探測(cè)地球向外輻射的傳感器NISTAR其觀測(cè)精度在0.1%～1.5%，隨波段變化，現(xiàn)有技術(shù)水平能夠滿足探測(cè)需求。總之，與現(xiàn)有星載平臺(tái)相比，月基平臺(tái)在觀測(cè)地球向外輻射方面有獨(dú)特的幾何特征，使其可從觀測(cè)幾何角度對(duì)現(xiàn)有對(duì)地觀測(cè)進(jìn)行補(bǔ)充。一些重要的問(wèn)題例如校準(zhǔn)在本文中未涉及，將在未來(lái)進(jìn)行詳盡研究。