基于场理论的“嫦娥4号”着陆区亮温时空分布特征研究

“嫦娥4号”（Chang’e-4）将首次实现在月球背面软着陆,而着陆区初步定为月球背面南极–艾肯（South Pole-Aitken,SPA）盆地内的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑。利用“嫦娥”微波辐射计穿透性强的特点,针对微波辐射亮温缺乏场分析的问题,从场观点出发利用SVD方法分析冯·卡门撞击坑的亮温时空分布特征。结果表明冯·卡门撞击坑的3 GHz昼夜亮温场和37 GHz昼夜亮温场之间存在显著的耦合模态,同时在撞击坑内的亮温变化趋势相对一致;FeO+TiO₂（FTA）含量高的区域其相关性较高,也是亮温变化的关键区域,但是其等值线密度和FTA含量没有明显相关关系,主要和月表粗糙度相关。最后通过分析冯·卡门撞击坑的亮温时空分布特征综合地形特征、地层单元和物质化学成分等因素,为Chang’e-4着陆区的选择提供了参考。     

冯·卡门撞击坑物质成分研究

“嫦娥4号”预计在月球背面的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑着陆,为近距离研究月球最大和最古老的南极—艾肯（South Pole-Aitken）盆地的形成和演化提供了机会。综合利用多种光谱数据,本研究分析了冯·卡门撞击坑及其周边地区TiO₂和FeO的含量变化,以及铁镁质矿物的分布情况,并推断了其主要的岩石类型。研究结果表明：冯·卡门撞击坑内部贫TiO₂（约1.5~2.5 wt%）富FeO（约12~16 wt%）,主要岩石类型为低钛玄武岩。撞击坑以外的地层则以苏长岩质物质（低钙辉石）为主,并含有约1 wt%的TiO₂和10 wt%的FeO。此外,冯·卡门撞击坑外的南部局fFf), and infilled by low-Ti basalts. The materials outside the crater are dominated by noritic materials (Low-Ca pyroxene) with abundance of TiO₂(~1 wt%)and FeO(~10 wt%). In addition, some plagioclase-rich layers are also exposed on the southern region outside the Von Kármán crater.     

月面冯·卡门撞击坑的着陆选址和科学探测目标浅析

冯·卡门（Von Kármán）撞击坑位于月球背面南极—艾肯（South Pole-Aitken,SPA）盆地中部,是中国“嫦娥4号”计划的优先级较高的探测目标。对该撞击坑的着陆和探测,有助于揭示月球形成和演化的一些关键问题,在月球科学研究中具有重大的意义。论文概要总结了冯·卡门撞击坑的研究意义和科学价值;结合LRO卫星LOLA数据、Clementine UV-VIS数据、GRAIL数据、“嫦娥2号”卫星CELMS等数据,简要分析了冯·卡门撞击坑的地形、成分、深部结构和亮?%rater are analyzed with LRO satellite LOLA data,Clementine UV-VIS data,GRAIL data,and Chang''E-2 CELMS data and their scientific meanings are also presented. Finally,combined with our results and the previous prospects about theVon Kármán crater,three candidate landing sites and the possible scientific discoveries are proposed.     

“嫦娥4号”月球背面着陆区月壳及深部结构特征

深部月壳和月幔物质结构是月球科学探测的关键问题之一。“嫦娥4号”初步将月球背面南极—艾肯（South Pole-Aitken,SPA）盆地内的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑作为着陆点,具有重要的科学研究价值。结合月球重力、地形、布格重力、月壳厚度等地球物理数据,综合对冯·卡门撞击坑的月壳及其深部结构特征进行了分析。结果显示：冯·卡门撞击坑重复撞击到南部的冯·卡门M撞击坑上,后者的中央峰具有明显的布格正重力异常和线性的布格重力梯度特征,显示出高密度的幔部物质向上涌起;冯·卡门撞击坑极有可能穿透了该区域的整个月壳,并挖掘出了深部月幔的物质;该区域南部月壳厚度较薄小于5 km,北部平均月壳厚度在15～20 km,月壳平均密度为2 630 kg·m^-3,比背面高地月壳密度高,且平均孔隙度为9%,低于月球的平均孔隙度12%。     

藏匿在冯·卡门坑南部下方的月球质量瘤

月球着陆探测的候选着陆区域的质量异常分布,预示着对应区域发生过复杂的动力学演化过程,存在着异常丰富的物质组成。对月球的质量异常分布或重力场异常的探测是基于绕月卫星重力探测方法获取的,结合“嫦娥1号”月球探测获得的月球重力场异常模型与地形探测模型的数据,分析揭示存在于月球背面的质量瘤区域,研究结果表明：使用多次任务的数据首次证认了一个位于中尺度撞击区域,冯·卡门（Von Kármán）撞击坑的南半部和边缘的正下部的质量瘤,暂定编号CEFC04,冯·卡门撞击坑是该区域形成后,又一次大型撞击产生的。这类显著的被藏匿的中尺度月球质量瘤的发现,对探测研究月球的演化有重要意义。     

基于多因子综合评估的月球探测软着陆区域及最佳巡航路线分析

选择合适的软着陆区域及规划合理的巡航路线是月球探测的基础工作。以位于月球背面南极—艾肯（South Pole-Aitken,SPA）盆地内的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑作为研究区域,综合使用多因子分析评估了月球探测的着陆区域和巡航路线。评价体系主要包括能表征着陆安全性的撞击坑的密度、撞击坑的影响区域、整个区域的平整情况、部分区域的平整情况等因子和体现科学探索意义的区域垂直结构、岩石属性和（FeO+TiO₂）含量等因子,其中科学探索的评估分析是在安全可行性的基础上进行的。结果表明：在多因子叠加分析的基础上可选择出A、B及C 3个着陆区,并通过科学研究因子分析出路线2及路线3为合适的巡航路线。本研究为月球探测器着陆和巡航路线的规划提供了科学依据,为后续的月球探测工作提供了技术支持。     

基于LOLA数据的冯·卡门地区地形特征分析

冯·卡门（Von Kármán）撞击坑位于南极—艾肯（South-Pole Aitken,SPA）盆地西北部,为“嫦娥4号”的预选着陆区。本文基于LRO卫星LOLA数据,分别采用最大平均值法、均方根高程法和盒维数法,得到并分析了冯·卡门地区的坡度、粗糙度和分形维数等地形参数信息。结果表明：冯·卡门撞击坑的海拔低,其中坑底最南部海拔最低,其余地区海拔相对较高;冯·卡门撞击坑内存在很多小的撞击结构;冯·卡门撞击坑平均坡度为1.3°,小于2°的地区约占盆地底部面积的85%;粗糙度值小于20 m的区域占95.1%;整体上有较大的分形维数。上述结果说明冯·卡门撞击坑整体上地形起伏小,结构稳定。统计结果表明：冯·卡门撞击坑南部、东南部及西北部地区都有较小的坡度、粗糙度值和较大的分形维数值,可满足探测器的着陆要求。与“嫦娥3号”着陆区地形的对比表明,冯·卡门撞击坑内部的地形条件要优于“嫦娥3号”着陆区。     

基于影像数据的冯·卡门撞击坑形貌分析

月球背面南极—艾肯（South Pole-Aitken,SPA）盆地内的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑是“嫦娥4号”初步选定的着陆区,该区域的地形地貌分析是任务设计的一个重要环节。根据LOLA （Lunar Orbiter Laser Altimeter）高程数据和LROC（Lunar Reconnaissance Orbiter Camera）影像数据,建立了马尔科夫随机场模型,从聚类的角度对该区域的地形地貌进行了表示和分析。具体而言,利用模型中的似然函数对呈近似正态分布的观测数据进行了建模,模型的标记随机场则刻画了不同地物形貌间的空间关系,并通过概率推断求解出最终的聚类结果。实验结果表明,从聚类角度进行数据表示,可以更好地展示出冯·卡门撞击坑内低对比度区域的地形地貌;而通过设置不同的聚类数目,还有助于分析冯·卡门撞击坑内整体的地形分布与局部的典型地貌。     

基于LOLA数据的冯·卡门撞击坑太阳辐射研究

冯·卡门（Von Kármán）撞击坑是“嫦娥4号”的候选着陆区之一。基于LOLA高程数据,对当前的月球光照模型做出改进,建立了月表太阳辐射模型,对冯·卡门地区2018年太阳辐射进行了数值模拟分析。结果表明：地形对太阳辐射的影响很大,撞击坑的南部坑壁、中央峰北部以及内部小撞击坑南部坑壁接收的太阳辐射能较多,坑底平原大部分地区接收的太阳辐射能在（0.9~1）×10¹⁰ J/m²之间;不考虑月面坡度时,太阳辐射能量主要受纬度的影响,计算区域的变化范围为（0.87~1.01）×10¹⁰ J/m²。结合月表坡度和光照条件提出了两个候选着陆区（S1区和S2区）：S1区位于坑底南部平原,地势更平缓,日出更早,光照时间更长;S2区位于中央峰西北侧,接收的太阳辐射能量更多。两区全年平均接收的太阳辐射能分别为9.31×10⁹ J/m²和9.65×10⁹ J/m²,7月份光照时间最长,更适宜着陆。     

Diviner红外温度与嫦娥卫星微波探测仪月表亮温的比较分析

提出使用高分辨率的Diviner辐射计红外温度作为月壤热传导的边界输入条件,使得月壤物理温度廓线的模拟更接近月表真实情况. 利用Diviner物理温度廓线模拟的微波亮温与嫦娥二号卫星微波探测仪（CELMS2）的实测亮温匹配,来分析CELMS2数据的有效性和稳定性,为月壤微波特性的反演奠定基础. 以哥白尼坑区域为例,对比分析了Diviner辐射计红外通道温度与CELMS1实测微波亮温的变化趋势. 选择月球虹湾地区内一位置点（45.1°-45.5°N,33.1°-33.5°W）,分析了CELMS2在该位置点内5个月球时刻的亮温数据. 通过对实测亮温与模拟亮温在经纬度和太阳高度角的匹配分析得到,在高频微波通道内两者的相关性达到96%以上,表明嫦娥二号微波探测仪亮温数据具有较高的稳定性,可以为月壤特性反演研究提供可靠数据来源.      

“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计

介绍了"嫦娥4号"月球背面软着陆任务设计方案。着陆区初步选定为月球背面南极–艾特肯(South PoleAitken,SPA)盆地内的冯·卡门(Von Kármán)撞击坑内。采用中继星实现着陆器和巡视器的对地通信,并选择环绕地月拉格朗日L2点的halo轨道作为其使命轨道。采用CZ-4C火箭和CZ-3B火箭,分别完成中继星和着陆器–巡视器组合体的发射。两器一星上共配置了6台国内研制科学载荷和3台国际合作科学载荷,开展以低频射电天文观测、巡视区形貌、矿物组份及浅层结构为主的科学探测。此外,还搭载了2颗月球轨道编队飞行微卫星、月面微型生态圈和大孔径激光角反射镜,分别开展超长波天文干涉测量试验、月面生态系统试验和超过地月距离的激光测距试验。通过创新设计顶层任务,充分继承成熟技术和产品,增加中继通信功能模块,开放资源引入高性能载荷和搭载项目,将实现一次低成本、短周期、大开放、高效益的月球探测任务。     

Analysis of the brightness temperature features of the lunar surface using 37 GHz channel data from the Chang'E-2 microwave radiometer

Compared with other remote observations, brightness temperatures (T_B) derived from microwave emission measurements provide a unique means to characterize the physical properties of the lunar surface. Using Chang’E-2 microwave radiometer data, we produced 12 global T_B images of the lunar surface during a diurnal cycle with different local times separated by approximately 2?h. There are two types of remarkable T_B units on the lunar surface, the “hot regions” occurring during the lunar day in the lunar Maria regions and the “microwave cold spots” occurring during the nighttime typically related to young craters. Compared with their surroundings, the hot regions are much warmer during the lunar day and slightly colder at night, while the microwave cold spots are much colder during the lunar night and slightly warmer in the daytime. Moreover, the T_B heating and cooling rates of these two units are larger than others at the same average latitude where they are located during the lunar day, especially after sunrise and before sunset. The hot regions have a good agreement with the mare regions with high TiO₂ abundance. Besides, brightness temperatures in the lunar Maria correlate closely with their TiO₂ abundance. For most microwave cold spots, they agree with the young craters, and their brightness temperature distributions have a significant negative correlation with the lunar surface nighttime temperature and rock abundance.     

Overview of the Latest Scientific Results of China's Lunar Exploration Program

China's Chang'E-4 probe successfully landed on 3 January 2019 in Von Kármán crater within the South Pole-Aitken (SPA) basin on the lunar far side. Based on the data acquired by the scientific payloads onboard the lander and the rover, the researchers obtained the related information such as the geologic and tectonic setting of the landing area, compositional characteristics of the landing surface materials, dielectric permittivity and density of the lunar soil. The experiments confirmed the existence of materials dominated by olivine and low-calcium pyroxene in the SPA basin on the lunar far side, which preliminary revealed the geological evolution history of the SPA basin and even that of the early time lunar crust, as well as the tectonic setting and formation mechanism of the materials in the lunar interior. The researchers also inves-tigated the particle radiation, Linear Energy Transaction (LET) spectrum, and so forth on the lunar surface. The low-frequency radio observations were carried out on the lunar far side for the first time as well. This article summarizes the latest scientific results in the past years, focusing on the Chang'E-4 mission. Key words CLEP, Chang'E-4, Scientific objectives, Scientific payloads, Scientific results