基于光照和坡度约束的月球南极着陆选址分析.pdf

基于光照和坡度约束的月球南极着陆选址分析刘 丹1，甘 红1，魏广飞1,2，邱昱霄3，万李明4,5，李雄耀2,4（1.深空探测实验室，合肥 230026；2.中国科学院 比较行星学卓越创新中心，合肥 232001；3.成都理工大学 地球科学学院，成都 610059；4.中国科学院 地球化学研究所 月球与行星科学研究中心，贵阳 550081；5.中国科学院大学 资源与环境学院，北京 101408）88.5S摘 要：月球两极永久阴影区富含的水和其它挥发分是研究月球和太阳系早期物质演化的重要手段，也是未来基地建设资源原位利用的重要来源。基于20 m/pixel分辨率的地形数据，计算了南极点附近15 km 15 km区域2026年的光照率和坡度，提出了采用精细网格划分研究区并以光照率和坡度作为工程约束的方法，得到了潜在着陆区的分布和面积随约束条件变化的规律。采用该方法进一步分析了南极以上区域60 m/pixel分辨率的光照率和地形数据，得到了8个潜在着陆区，其中有3个分布在“沙克尔顿”（Shackleton）撞击坑坑缘、2个分布在“德杰拉许”（de Gerlache）撞击坑坑缘、2个分布在前两个撞击坑相连的山脊、1个分布在Shackleton与“斯莱特”（Slater）撞击坑相连的山脊，为未来工程探测选址以及基于更高分辨率地形数据开展目标区域着陆点的选择提供参考。关键词：月球极区；光照条件；坡度；着陆区；沙克尔顿撞击坑中图分类号：V11 文献标识码：A 文章编号：2096-9287（2023）05-0544-13DOI:10.15982/j.issn.2096-9287.2023.20220091引用格式：刘丹，甘红，魏广飞，等.基于光照和坡度约束的月球南极着陆选址分析J.深空探测学报（中英文），2023，10（5）：544-556.Reference format:LIU D，GAN H，WEI G F，et al.Lunar south polar landing area selection constrained byillumination conditions and slopesJ.Journal of Deep Space Exploration，2023，10（5）：544-556.引言20世纪90年代以来，美国发射的“克莱门汀号”（C l e m e n t i n e）、“月 球 勘 探 者 号”（L u n a rProspector）、“月球勘测轨道器”（Lunar Reconnaiss-ance Orbiter，LRO）、“月球陨坑观测和遥感卫星”（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite，LCROSS）等探测器获取的大量数据表明，在月球南极永久阴影区分布有大量的水冰，自此月球南极就成了新一轮探月高潮的热点区域1。从科学角度来看，寻找和探讨水冰的来源和赋存状态，并确定其在月球上的形成时间和分布特征，对了解太阳系内部挥发分的储量，以及月球挥发分的演化历史至关重要2。从工程探测角度来看，月表水可以作为一种宝贵的原位资源3，有助于人类在月球的长期探索和停留，例如：可降低未来在月表建立月球基地的成本、作为未来向深空探测的中间补给站4-5。目前，世界各国都将目光瞄向了月球南极，将南极着陆探测视为抢占战略先机。欧洲航天局（EuropeanSpace Agency，ESA）提出“双轨制”南极探测计划并提出“月球村”概念，即以国际合作的方式在月球南极建立集科学、商用等多种功能为一体的永久太空基地。俄罗斯联邦航天局（Roscosmos）也制定了从“月球25号”（Lunar-25）到“月球27号”（Lunar-27）共3次探月规划，将月球南极作为目标探测区域，并计划在南极建立“月球基地”6。“月球25号”于2023年8月10日发射，但在进入环月轨道后于8月19日失控撞月，宣告任务失败。印度于2023年7月14日发射“月船3号”（Chandrayaan-3）探测器，经过多次变轨操作最终于8月23日成功降落在月球南极619 km附近。美国政府于2017年提出“重返月球”后，在2019年正式发布由美国国家航空航天局（National Aeronautics and SpaceAdministration，NASA）主导的“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划，目标是于2024年前将宇航员顺利送往月球并安全返回，以及在南极建立常态化驻月机制，为将来的火星载人登陆工程做准备。此外，日本和以色列等国家和组织也在不断推进月球南极探测工 收稿日期：2013-11-01 修回日期：2013-12-30基金项目：国家重点研发计划（2022YFF0711400）；中国科学院类地行星先导专项B（XDB41000000）；国家自然科学基金（41931077）第 10 卷 第 5 期深 空 探 测 学 报（中英文）Vol.10 No.52023 年 10 月Journal of Deep Space ExplorationOctober 2023作的进度，提出相应的月球南极探测规划。中国也提出了在月球南极合作共建月球科研站计划，通过建立工作基站开展长期的月球科学研究任务6。开展月球南极探测的前提就是着陆区的选址既要在满足工程探测安全，又要最大限度地扩大具有研究价值区域的面积以及探测工作时间的跨度。在月球极区，太阳光近水平方向入射，同低纬度地区相比，其光照条件更为复杂，所面临的工程探测难度也更大7。因此准确获取和分析月球极区的光照条件，对探讨月表水及其它挥发分的来源、储量以及工程探测目标区域的选取等具有重要意义。本文以中国将于2026年发射的“嫦娥七号”（CE-7）探测任务为背景，以“沙克尔顿”（Shackleton）撞击坑作为探测目标，基于高精度的地形数据，通过对坡度、光照条件进行约束，提出并详细探讨着陆区选址的基本方法。在此基础上，通过计算实时的光照条件，获取潜在着陆区的光照时间范围，为着陆选址、巡视器路径实时规划提供参考。1 极区探测面临的挑战与月球中低纬度的探测任务相比，极区探测最显著的科学目标就是永久阴影区（Permanently ShadowedRegions，PSR）内的水和其它挥发分8。考虑到PSR特殊的光照条件、极低的温度环境和阴影区内未知的地形特征等极端条件911，在目标点的选择和探测方式、搭载的仪器、着陆区的选择等均面临前所未有的挑战12。从工程探测的角度出发，通过调研并总结出极区探测面临的挑战可概括为4个。1）复杂地形月球极区同样普遍分布着大小不一的撞击坑，且撞击坑内部坡度较为陡峭导致地形起伏较大。太阳光始终接近水平入射，导致光照区、阴影区的分布及其随时间的变化十分复杂13。因此，要选择满足地形、光照和科学探测目标等各方均符合约束条件的着陆区就变得非常困难，尤其对探测器的精准着陆带来直接的挑战14-16。如果偏离目标着陆点距离过大，可能给探测器着陆带来风险或者着陆后面临没有光照的困难境地。其次，撞击坑内大部分区域没有光照，无法采用光学成像进行导航避障，必须采用激光或者主动照明技术，而撞击坑内部物质对激光和可见光的反照率存在不确定性5，这给导航仪器的避障能力带来一定的挑战。2）光照条件及探测器能源供给基于月球赤道平面与黄道平面的夹角为1.54的特征，越是靠近极点的位置，地形遮挡越明显。在撞击坑内形成永久阴影区或季节性阴影区17，在地势高的坑缘和山脊处才能够接收到太阳光照11。而连续接收太阳光照的时间长短则直接影响到探测器的太阳能利用和热控系统。在月球南极区域，由于太阳高度角很小且太阳辐照度也不如月球其它地区，所以如何满足所携带的科学载荷需要使用的能量是在南极开展探测工作的一大关键问题。3）地月之间的测控通信在月球极区，由于月球自转、天平动以及局部地形影响，对地可见的高度角也往往只有几度，导致月球极区几乎不存在可以持续对地通信的区域18。而月球背面更是无法直接进行地月测控通信。因此，无法持续与地球进行通信也是探测器面临的一大挑战。周文艳等19、熊亮等20提出了通过发射中继卫星并采用大椭圆倾斜冻结轨道设计的方法来保证地月通讯和数据传输的可靠进行。4）极端环境下的探测器寿命未来月球极区探测可能考虑建立月球科研站或月球基地，开展长期持续探测。探测器将面临月球极区极端环境下长期服役、月面自主任务管理和生存管理等诸多挑战，特别是极低温、低重力、月尘等极端环境下高可靠元器件和长寿命执行机构将是影响成败的决定性因素5。本研究以位于南极点附近的Shackleton撞击坑为探测目标，以极区地形（坡度）和光照条件作为工程约束，对CE-7潜在着陆区的选择进行详细分析。而地月间的通信和探测器的寿命则更多地取决于探测方法和技术，本文不在此讨论。2 数据和方法目前广泛采用的数字高程模型（Digital ElevationModel，DEM）是LRO搭载的月球轨道激光高度计（Lunar Orbiter Laser Altimeter，LOLA）获取的地形数据21，LRO是由NASA于2009年7月13日发射目前仍在轨运行的探测器。LOLA作为LRO的7个载荷之一，长达10年的极轨探测获得了大量覆盖极区的地形数据9。目前已有覆盖75S/N以上的DEM对应的分辨率有240 m/pixel、120 m/pixel、60 m/pixel和30 m/pixel，覆盖80S/N以上的有80 m/pixel、40 m/pixel和20 m/pixel，覆盖85S/N以上的有40 m/pixel、20 m/pixel和10 m/pixel；覆盖87.5S/N以上的有20 m/pixel、10 m/pixel和5 m/pixel。这些不同分辨率的DEM为研究极区不同尺度的地形和光照条件提供了基础。甘红等7提出了CE-7南极探测的概念任务，并以Shackleton撞击坑为例通过第 5 期刘丹，等：基于光照和坡度约束的月球南极着陆选址分析545采用20 m/pixel分辨率的DEM数据计算了南极典型区域（图1黑色方框）的光照条件和电场环境。其他学者围绕相似的区域也开展了大量的光照条件计算和着陆区选址分析工作22-23。本文采用最大高度角法来计算极区的光照条件11。由于计算时间与分辨率的增加呈指数上升关系，导致在目前有限的计算机资源条件下难以完成大范围区域的5 m/pixel和10 m/pixel分辨率的最大高度角数据库计算。在权衡了计算效率和空间分辨率后，选择了15 km 15 km的研究区进行计算。在此基础上，将光照和坡度作为工程约束条件，通过划分精细网格来统计分析符合约束条件的像元个数和分布特征，从而选择出最佳的潜在着陆区。基于该方法和已经公开发布的60 m/pixel的光照和地形数据，进一步分析了南极88.5S以上的区域，分析和选出所有符合给定约束条件的潜在着陆区。15000西1800015000东3000西8700南8700南8700南8700南0003000东HaworthShoemakerSpudisde GerlacheShackletonSverdrup4 380高程/m 注：黑色方框表示研究区。数据来自于LOLA，分辨率为5 m/pixel，采用极方位投影。87.5图 1 月球南极（）地形 87.5Fig.1 Topography of lunar south polar region（）3 结果 3.1 坡度和光照率对着陆区选择的约束基于空间分辨率为20 m/pixel的DEM数据，本文首先计算了研究区的坡度，如图2所示。坡度范围大致为045，平均为17.47.8，其中25的像元个数占比为89.8%。从工程探测的角度来说，坡度不仅影响到着陆的安全性，还影响到着陆后巡视器的可达区域范围。图3分别给出了坡度5、15和 25时的分布。可以看出随着坡度的增加，可选区域（蓝色区域）的面积也在不断增加，从坡度 5的19.989 6 km2到坡度 15的129.987 6 km2，再到坡度25的200.868 0 km2。从空间分布特征来看，坡度 5的坡度主要分布在Shackl-eton撞击坑的坑缘、与de Gerlache撞击坑之间的山脊西侧区域，以及“斯普蒂斯”（Spudis）撞击坑坑缘外侧；坡度 15的地形沿着山脊和坑缘向外延伸；坡度25的地形基本上覆盖了除Shackleton撞击坑坑壁的所有区域。从着陆器和巡视器的安全角度来看，将安全的坡度限制在15以下。80 00070 00060 00050 00040 00030 00020 00010 000005101520253035404550像元个数坡度/（）图 2 研究区内坡度直方图Fig.2 Histogram of slopes within the study area 1 km1 km1 kmSpudisShackletonSpudisShackletonSpudisShackleton1 km1 km（a）研究区内坡度5（b）研究区内坡度15（c）研究区内坡度25 图 3 研究区不同范围的坡度分布（蓝点）Fig.3 Distribution of different ranges of slopes（blue dots）within the study area546深空探测学报（中英文）2023年ttNni=1fi（n=Nt,N=8 760）除了坡度因素，光照条件则是影响探测器的能源利用和热控系统的重要因素之一。图4（a）展示了研究区2026年的光照率分布。这里的光照率是指研究区内任意位置在一段时间内的光照时长与总时长的比值。考虑到将太阳视为面光源，光照时长还要考虑太阳可视系数（f，范围为01，具体介绍见4.1节）这一权重。具体来看，2026年共有8 760 h，实时光照条件计算的步长（）为1 h，对应的可视系数就有8 760个。因此，最终的光照率可表示为。从图4（a）可以看出，光照率较高的位置主要分布在Shackleton撞击坑的坑缘及附近的山脊区域，这与图1所示的地形特征是十分符合的。图4（b）为光照率的统计分布，可以看出研究区大部分区域光照率低于50%，这对着陆选址中的光照约束来说是不够的。对于光照率70%的区域图4（b）内嵌图，光照率越高可选区域越少，仅占研究区面积的0.06%。因此，在考虑着陆区选址时，需要同时兼顾光照率和可选区域面积这两个因素。为了进一步体现光照率的分布特征，将研究区的平均光照率按照50%、60%和 70%3个范围进行划分，如图5所示。从整体分布特征来看，随着光照率的增加，研究区内可选择区域的面积在不断减小。当光照率 50%的时候，可选区域基本呈连续状分布在Shackleton坑缘、山脊及其两侧，总面积为4.416 0 km2；随着光照率增大到60%，可供选择区域缩小到0.520 4 km2，且主要分布于Shackleton坑缘以及山脊处且呈不连续分布状态；进一步将光照率约束到70%，仅有部分Shackleton坑缘和山脊的最高点位置满足要求，面积仅为0.130 4 km2。根据以上对比，选择光照率 60%作为着陆区选址的光照约束。不过需要注意的是，即使在光照率较高的区域内，仍然存在着大量的光照率较低的小型甚至微型撞击坑。这主要受到DEM分辨率的影响，将在4.4节详细讨论。（a）光照率分布（b）光照率直方图1 km100500010203040506070707580859095100809010080 000100 000120 00060 00040 00020 00001009080706050403020100光照率%像元个数光照率/%像元个数光照率/%SpudisShackleton 图 4 研究区2026年光照率分布和光照率直方图Fig.4 Distribution of illumination rate of 2026 within the study area andhistogram of illumination rate.（a）光照率50%（b）光照率60%（c）光照率70%1 km1 km1 km1 km1 km1 kmSpudisShackletonSpudisShackletonSpudisShackleton 图 5 研究区不同光照率约束下的可选区域分布Fig.5 Distribution of illumination rate greater than 50%,60%and 70%第 5 期刘丹，等：基于光照和坡度约束的月球南极着陆选址分析547为了进一步同时考虑坡度和光照率对着陆选址的约束，结合图3的坡度特征和图5的光照率特征，分别计算了在坡度5、15、25条件下研究区内光照率从50%100%的可选总面积的变化（图6）。可以看出，当光照率低于70%时，坡度 15与 25的可选面积差别不大，但与坡度5的可选面积差别十分显著，说明符合相应光照条件的坡度主要分布在15以下，这对工程选址是非常有利的。而在光照率高于70%时，3种坡度条件下的可选面积很小且变化趋势基本一致，说明光照条件优异的位置地形都比较平坦（整体 5），这既能满足工程探测安全着陆的要求还满足对太阳能资源的充分利用。接下来，将坡度15作为安全着陆和巡视器移动的上限，探讨可选区域的分布及面积随光照率约束的变化。如图7（a）所示，光照率50%时的可选区域大部分位于Shackleton坑缘以及山脊及其西侧，总面积为3.768 8 km2；当光照率 60%时，可选面积缩小到0.516 8 km2，呈间段性分布于坑缘及山脊处图7（b）；当光照率 70%时可选区域呈零散点状分布图7（c），可选面积仅为0.130 0 km2。从工程探测的角度考虑，可选面积越小对着陆的精度要求越高。综上分析，将坡度 15且光照率 60%的区域图7（b）作为着陆选址和路径规划的基本工程约束条件。0.54.54.03.53.02.52.01.51.00.500.60.70.80.91.0坡度坡度15坡度5总面积/km2光照率坡度25 图 6 不同坡度条件下光照面积随光照率的变化Fig.6 The total illuminated area varies as a function of the illumination rate （a）光照率50%（b）光照率60%（c）光照率70%1 km1 km1 kmSpudisShackletonSpudisShackletonSpudisShackleton1 km1 km1 km 注：底图为坡度图。图 7 坡度15约束条件下的区域内光照率分布（绿色区域）Fig.7 Distribution of slope constrained（15）illumination rate（green area）greater than 50%,60%,and 70%3.2 潜在着陆区的选择上文给出了坡度和光照率对着陆区选择的约束，发现光照率大的区域主要分布在坑缘和山脊位置，下面对潜在着陆区的分布特征进行量化对比并进一步确定最佳着陆区位置。首先将研究区（15 km 15 km）按照1 km间距划分为15 15个网格单元，然后分别统计每个网格单元内符合工程约束（坡度 15，光照率60%）的像元个数，再根据像元个数及其空间分布特征（聚集还是离散）选择出最佳着陆区域。需要注意的是，这里选择的1 km 1 km网格单元包含2 500个像元（20 m/pixel分辨率），仅作为研究区定量化对比的一个基准。若考虑更精细的网格，如200 m 200 m，其包含100个像元，同样可以对可选区域的面积进行定量化对比。为了简化对比且使得划分方案更加清晰明了，选取前者网格划分方案。此外，在对比网格内的像元个数时，同时会考虑网格内像元分布特征以及与相邻网格内像元间的空间分布关系（连续还是分散），作为判断和筛选依据。图8展示了研究区内每个网格符合工程约束的像元个数分布。可以看到，沿着坑缘和山脊分布的像元（网格内绿点）表现出显著的差异。对于Shackleton坑缘来说，在（X=3 km，Y=7 km）位置的网格像元个数达到最大的86个，面积为34 400 m2。在网格单元（X=1 km，Y=1 km）、（X=2 km，Y=2 km）548深空探测学报（中英文）2023年和（X=3 km，Y=9 km）位置，像元个数达到了49个、52个和44个，相应的面积为19 600 m2、20 800 m2和17 600 m2，但是像元分布比较分散且不连续。而网格单元（X=2 km，Y=4 km）虽然仅有23个像元，面积为9 200 m2，但其与之相邻的网格内的像元可以保持连续分布。对于山脊来说，在网格单元（X=12 km，Y=13 km）位置分布着最高的145个像元，面积为58 000 m2，且像元呈部分分散整体连续的分布特征。与之相邻的网格（X=11 km，Y=12 km）和（X=12 km，Y=12 km）像元个数分别为108和28个，相应的面积为43 200 m2和11 200 m2。虽然二者与最高像元数差别很大，但与其保持着像元连续性分布，这显然对着陆选址和月面巡视探测是有利的。其它邻近的网格像元数量比较低且分散，一方面不利于着陆区选择，另一方面不利于着陆后的广域巡视探测。140120100806040200151413121110 9 8 7 6 5 4 3 2 1151413121110987654321x/kmy/km 图 8 研究区内符合工程约束（坡度15、光照率60%）的像元个数及分布（绿点）Fig.8 Number of data points（green dots）constrained by the slope（15）and illumination rate（60%）within the study area 根据以上分析，选出了研究区内符合坡度和光照约束的潜在着陆区，如图9所示。潜在着陆区1（黄色框）位于Shackleton坑缘，总面积为165 200 m2，整体上呈状连续分布。在此范围内，巡视器可以开展广域的月面巡视和调查。红色框包围的区域为潜在着陆区2，位于山脊区域，总面积为112 400 m2。相比前者，着陆区2面积要少52 800 m2，但呈部分聚集整体连续的特征，这对着陆器的降落安全是非常有利的。4 讨论 4.1 潜在着陆区的实时光照分布针对本研究区，选出了以Shackleton撞击坑为探测目标的潜在着陆区1和2。对于具体的探测任务例如CE-7，除了要选择出潜在着陆区外，还需要对着陆区的光照时间进行详细划分，以便为着陆时间选择、巡视器路径规划、光照利用方案等提供参考依据。因此，进一步通过计算覆盖研究区一定时间范围内的实时光照条件，从而对潜在着陆区的光照时间范围进行筛选和分析。具体步骤如下。ifiRifi=0fi=10 fi 11）以1 h为步长计算研究区2026年1月1日0点2026年12月31日23点时间范围内每个像元 的太阳可视系数和日月距离（单位AU）。太阳可视系数指的是，当把太阳当作面光源时，站在月球任意位置看到的太阳面积占圆盘面积的比例。当太阳在地平线以下或被完全遮挡时，；当太阳在地平线以上且完全可见时，；当仅能看见部分太阳圆面时，。2）计算研究区内每个像元的当地坡度和方位角。Si=fi(1a0)S0cosi/R2ia0S0i3）假设月表为朗伯反射体，计算每个像元接收的有效太阳辐射，即，其中，为表面反照率，为太阳常数，为当地坡度的入射角。由此可以得到覆盖研究区的实时光照强度分布。图10展示了潜在着陆区1（黄色框）在2026年1月份的光照特征，其中绿色点覆盖的位置与图9中绿色点位置完全一样，均为符合本研究约束条件的着陆点。具体来看，在1月2日12时图10（a）着陆区部分位置开始出现光照，在1月9日23时光照基本覆盖到区域全部图10（b），到1月13日11时阴影刚好覆盖全部着陆点图10（c）。该过程潜在着陆区1的持续光照时间约为11 d。在该时间范围内，对开展探测器 1 kmSpudisShackleton 注：黄色框圈出Shackleton坑缘区域为潜在着陆区1，红色框圈出的山脊区域为潜在着陆区2。网格间距为1 km，底图为坡度图。图 9 基于网格划分选出的潜在着陆区分布Fig.9 Distribution of potential landing area based on mapped meshing.第 5 期刘丹，等：基于光照和坡度约束的月球南极着陆选址分析549着陆、巡视器的广域探测任务非常有利。经过约4.5 d的阴影遮挡，在1月17日23 时该着陆区再一次受到光照图10（d），同样经历光照全覆盖图10（e）和最后的消失图10（f）过程，总共持续的时间约为8.5 d。值得一提的是，如果探测器的能源能够保证载荷工作在4.5 d以上，那么该阴影遮挡时间即可忽略，连续光照时间则达到19.5 d。这对延长设备工作时间和提高月面探测效率具有重要意义。（a）光照开始（b）光照持续（c）光照结束（d）短暂阴影后光照开始（e）短暂阴影后光照持续（f）短暂阴影后光照结束02026-01-02 12:00:002026-01-09 23:00:002026-01-13 23:00:002026-01-17 23:00:002026-01-21 23:00:002026-01-26 11:00:0051015051015051015051015051015051015051015051015051015051015051015051015Y/kmY/kmY/kmY/kmY/kmY/kmX/kmX/kmX/kmX/kmX/kmX/kmShackletonShackletonShackletonShackletonShackletonShackleton 图 10 2026年1月潜在着陆区1（黄色框区域）的持续光照分布Fig.10 Distribution of continue illumination at potential landing area 1（yellow box）in January,2026 与潜在着陆区1相似，潜在着陆区2在1月份也表现出相似的光照特征，如图11（红色框）所示。在1月2日0时着陆区开始出现光照图11（a），在1月5日23时全部区域受到光照图11（b），到1月10日23时光照消失图11（c），共持续约9 d。经过约4 d的阴影遮挡，在1月14日23时该着陆区再一次出现光照图11（d），在1月19日23时全区域出现光照图11（e），直到1月25日11 时光照消失图11（f），该过程持续了10.5 d。同样地，如果探测器的能源可以维持载荷正常运行4 d以上，潜在着陆区2可以连续开展23.5 d的月面探测任务，其中包括19.5 d的光照时间。从这两个区域在1月份的光照时间分布来看，二者的总光照时长基本一致，而且有较长的重叠日期。说明从光照条件的角度来看，这两个区域都是十分理想的潜在着陆区。基于以上筛选原则，分析并推测了这两个区域2026全年的连续光照时间，如表1所示。潜在着陆区1的连续光照时间区间为7.512 d，最大值主要分布在10月25日0时11月5日23时和11月23日12时12月5日11时这两个时间段。潜在着陆区2的连续光照时间区间为7.510.5 d，最大值主要分布在1月14日23 时1月25日11时。显然，潜在着陆区1的连续光照时间要普遍多于潜在着陆区2，从太阳能利用和探测效率的角度来说，前者更适合作为着陆区，而且距离Shackleton坑底更近，对实现科学目标探测更加有利。4.2 不同高度的太阳光照特征光照率反映了某一位置在特定时间段内的光照时间占比，但无法准确反映出该位置的连续光照特征。此外，从探测器本身来看，太阳翼往往是高于月面的，这对提高太阳可视系数具有关键作用。这里，假设着陆器太阳翼的最低高度距离月面为2 m，分别从潜在着陆区1和2选出光照率最大的位置，即潜在着陆点1，PLS 1（X=2.81 km，Y=6.59 km）和潜在着陆点2，PLS 2（X=11.57 km，Y=12.47 km）进行光550深空探测学报（中英文）2023年f=0照特征分析。图12（a）展示了PLS 1位置表面和2 m高度时的太阳可视系数f在2026年1月1日0时12月31日23时的变化特征。对比月面太阳可视系数可以看出，在距离表面2 m高度时，部分时间段太阳可视系数略有增加，甚至从部分太阳可视变为完全可视。不过该时间范围内表面和2 m高度仍然存在间歇性的阴影，即。对于增加的太阳可视系数，表示有更多的太阳辐射到达观测者，更有利于太阳能利用，即通过增加着陆器和巡视器太阳翼高度可以提高太阳能利用率。图12（b）为PLS 2的表面和2 m高度的太阳可视系数变化。相比PLS 1，该位置对太阳全年持续可视，且仅有5次明显的部分遮挡时间段。对于2 m高度，全年范围内太阳圆面完全可视，说明太阳翼在此高度可以达到最多的太阳辐射能量。（a）光照开始02026-01-02 02:00:005101505101502026-01-05 23:00:005101505101502026-01-10 02:00:005101505101502026-01-25 11:00:005101505101502026-01-19 23:00:005101505101502026-01-14 23:00:0051015051015Y/kmY/kmY/kmY/kmY/kmY/km（b）光照持续（c）光照结束（d）短暂阴影后光照开始（e）短暂阴影后光照持续（f）短暂阴影后光照结束X/kmX/kmX/kmX/kmX/kmX/kmShackletonShackletonShackletonShackletonShackletonShackleton 图 11 2026年1月潜在着陆区2（红色框区域）的持续光照分布Fig.11 Distribution of continue illumination at potential landing area 2（red box）in January,2026 表 1 潜在着陆区2026年连续太阳可见时间段级及持续时间分布Table 1 Periods of illumination at potential landing areas in 2026潜在着陆区1潜在着陆区2时间范围持续时间/d时间范围持续时间/d时间范围持续时间/d时间范围持续时间/d01-02 12时01-13 11时11.001-17 23时01-26 11时8.501-02 00时01-10 23时9.001-14 23时01-25 11时10.502-01 12时02-12 11时11.002-16 23时02-24 23时8.002-01 00时02-09 23时9.002-14 23时02-23 23时9.003-03 12时03-13 23时10.503-18 23时03-26 11时7.503-03 00时03-10 11时7.503-16 23时03-25 11时8.504-02 00时04-12 11时10.504-17 11时04-24 23时7.504-01 12时04-08 23时7.504-15 11时04-23 23时8.505-01 12时05-11 23时10.505-16 23时05-24 11时7.505-01 00时05-08 11时7.505-14 23时05-23 11时8.505-31 00时06-10 11时10.506-15 11时06-22 23时7.505-30 12时06-06 23时7.506-12 23时06-21 23时9.006-29 12时07-09 23时10.507-14 23时07-22 11时7.506-29 00时07-06 11时7.507-12 23时07-21 11时8.507-29 00时08-08 11时10.508-13 11时08-20 23时7.507-28 12时08-04 23时7.508-11 11时08-19 23时8.508-27 12时09-06 23时10.509-10 23时09-19 11时8.508-27 00时09-03 23时8.009-11 11时09-18 11时7.009-25 12时10-06 23时11.510-09 23时10-19 11时8.509-25 00时10-03 11时8.510-08 23时10-17 11时8.510-25 00时11-05 23时12.011-08 11时11-17 23时9.510-24 12时11-02 11时9.011-07 11时11-16 11时9.011-23 12时12-05 11时12.012-07 23时12-17 11时9.511-23 00时12-01 23时9.012-06 23时12-15 23时9.012-23 00时12-31 23时9.012-22 12时12-30 11时8.0第 5 期刘丹，等：基于光照和坡度约束的月球南极着陆选址分析551f 0.5f 0.5已有的光照条件研究表明Shackleton坑缘及附近山脊均具有较好的光照条件，这些可作为着陆选址和太阳能利用的潜在区域。同样基于光照和坡度约束条件下进行的研究区精细网格划分方法，进一步分析了以Shackleton撞击坑为探测目标的更大范围的南极区域（88.5S）潜在着陆区选址分析。不过这里采用已经公开发布的空间分辨率为60 m/pixel的DEM和覆盖多个18.6 a进动周期的光照率（http:/imbrium.mit.edu/），作为分析的输入条件。值得一提的是，这里没有选择与上文一致的20 m/pixel分辨率数据作为输入条件主要是因为计算覆盖88.5S以上区域的光照条件需要消耗大量的计算机资源和时间。除非是针对已经确定的目标区域进行计算，否则这种大范围、高分辨率的光照计算效率比较低下。不过该数据也同样覆盖了上文的研究区，可以用来对比分析。当然，由于空间分辨率不同导致会着陆区筛选差异，将在4.4节详细讨论。采 用 本 文 的 着 陆 区 选 择 方 案，首 先 将 极 区（88.5S）坡度图和光照率分布图同时按照1 1 km网格进行划分。其次，选择域坡度 15且光照率 60%的区域。最终选出了符合条件的8个潜在着陆区（PLA），其分布位置如图14所示（红色框）。需要注意的是，其它一些位置也有符合约束条件的潜在着陆区分布，但是主要表现为分散不连续特征，且单个网格内的像元个数小于15个且呈散点状分布，不利于（a）PLS1（b）PLS2Surface2 m height1.00.80.60.40.201.00.80.60.40.20202601202604202607202610202701202601202604202607202610202701太阳可视系数太阳可视系数日期/（年-月）日期/（年-月）图 12 潜在着陆点PLS 1和PLS 2的太阳可视系数Fig.12 Visible Sun fraction at potential landing sites PLS 1 and PLS 2 051015202530356050403020100太阳可视系数0.5太阳可视系数图 14 南极（88.5S）所有区域的潜在着陆区分布Fig.14 Distribution of potential landing sites at polar regions（88.5）552深空探测学报（中英文）2023年工程着陆和表面巡视探测。从这些潜在着陆区的分布特征来看，PLA 1、PLA 3、PLA 4主要分布在Shackleton坑缘，覆盖的面积分别为0.45、0.122 4和0.104 4 km2。PLA 7和PLA 8主要分布在de Gerlache撞击坑（88.344 7W，88.484 9S）坑缘，覆盖的面积分别为0.122 4和0.349 2 km2。PLA 2、PLA 6主要分布于前两个撞击坑之间的山