CN109374136B - 一种获取月球表面温度的方法及处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获取月球表面温度的方法，方法包括：基于斯特藩‑玻尔兹曼定律和能量守恒定律，构建一种用于计算月球表面温度的月表温度模型；根据日月距离、地球辐射、待计算的月球表面目标点的太阳辐射入射角、坡度信息，确定目标点的月球表面外部热源的有效辐照度；根据目标点观测时刻周围地形的遮挡情况，获取目标点的太阳可视因子；根据所述月球表面外部热源的有效辐照度、太阳可视因子和观测时刻，基于所述月表温度模型，获取用于结合月球地形和太阳辐照度的实时测量月球表面温度的模型。本发明可以在给定的任意观测时刻，实现月球表面任一位置月表温度的获取，并通过与月面点本地时间的转换，实时获得月球时间下的月表温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种探测技术，具体涉及一种获取月球表面温度的方法。
背景技术
月球缺乏足够的内部能量，月球表面(简称月表)温度是月球研究中最为基础的热物理参数之一，同时也是人类实施无人或有人月球探测必须考虑的重要参数之一。精确计算月球表面温度对基于遥感数据的月壤参数反演、月表形成演化研究以及未来着陆区的选择等，具有重要意义。
太阳辐射和地形起伏是影响月表温度主要因素。而在以往的研究中，仅对月表温度采用简化近似计算，缺乏综合实时考虑太阳位置随时间的变化和周围地形起伏对月表温度变化的影响。
为此，如何在综合考虑月表坡度、周围地形遮挡和太阳辐照度的情形下，获取实时的月表温度成为当前需要解决的技术问题。
发明内容
(一)发明目的
针对现有技术中的问题，本发明提供一种获取月球表面温度的方法，在实时获取月表温度时，能够综合考虑月表坡度、周围地形变化和太阳辐照度等情形，使得获取的温度结果更精确。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明的技术方案包括：
第一方面，本发明提供一种获取月球表面温度的方法，包括：
步骤S1、基于斯特藩-玻尔兹曼定律和能量守恒定律，构建一种用于计算月球表面温度的月表温度模型；
步骤S2、根据日月距离、地球辐射、待计算的月球表面目标点的太阳辐射入射角、月面坡度，确定目标点的月球表面外部热源的有效辐照度S0；
步骤S3、根据目标点观测时刻周围地形的遮挡情况，获取目标点的太阳可视因子P；
步骤S4、根据所述月球表面外部热源的有效辐照度、太阳可视因子和观测时刻，基于所述月表温度模型，获取用于结合月球地形和太阳辐照度的实时测量月球表面温度的模型。
所述步骤S1中的月表温度模型采用下述公式一表示：
公式一：
其中，ε是月表发射率，α是月表反照率，σ是斯特藩-玻尔兹曼常数 5.67×10-8W m-2K-4，Q是月壤内部热流，Φ是目标点的纬度，Ψ是目标点的经度。
所述步骤S2中月球表面外部热源的有效辐照度S0为：
S0＝I·(AU/Dms)2·cos(z)+Searth；
其中，AU是一个天文单位，Dms是日月距离，单位为AU，I是太阳常数，单位为W·m-2，Searth是地球辐射，z是太阳辐射入射角。
所述步骤S3中太阳辐射入射角z采用公式二获得：
公式二：
其中，
为目标点的坡面法向量，为月面点-日心方向矢量。
所述步骤S3，包括：
步骤S3a、依据目标点的地形，确定目标点最大地形高度角
目标点最大太阳高度角λ，太阳视半径角ω；
步骤S3b、判断目标点最大地形高度角目标点最大太阳高度角λ，太阳视半径角ω的大小，确定太阳可视因子P：
若
则P＝0；
若
则
若
则P＝1。
所述步骤S4中获取的模型为：
可选地，所述温度计算方法还包括：
步骤S5、根据观测时刻获取月球表面目标点的月球本地时间Hr。
所述步骤S5包括：
步骤S5a、获取观测时刻月球上太阳直射日下点的经度Slon；
步骤S5b、根据公式三计算月球本地时间Hr；
公式三：
步骤S5c、判断获得的Hr的大小，
若Hr≥24，则将获得的Hr减去数值24，
若Hr＜0，则将获得的Hr加上数值24。
可选地，所述温度计算方法还包括：
步骤S6、根据月球本地时间Hr与目标点的温度T0(φ,ψ)，输出目标点月球本地时间一天的温度动态变化。
另一方面，本发明提供一种处理装置，包括：
存储器、处理器、总线以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任意一项的步骤。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：在给定的任意观测时刻，实现月球表面任一位置月表温度的获取，并通过与月面点本地时间的转换，实时获得月球时间下的月表温度；且在实时获取月表温度时，能够综合考虑月表坡度、周围地形变化和太阳辐照度等情形，使得获取的温度结果更精确。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种获取月球表面温度的方法示意图；
图2为本发明太阳辐射入射角z计算示意图；
图3为本发明月球表面大尺度地形起伏对目标点遮挡判定示意图；
图4为本发明目标点太阳高度角和太阳视半径角ω的计算示意图；
图5为本发明目标点地形高度角
计算示意图；
图6为本发明目标点月球本地时间Hr计算示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其它情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。
精确计算月表温度对基于遥感数据的月壤参数反演、月表形成演化研究以及未来着陆区的选择等，具有重要意义，而行星历表和高精度的月表地形数据为获得高精度的月表温度信息提供了可能。本申请的方法基于DE系列历表和月球轨道激光高度计数据(LOLA)，通过改进Racca 模型，在综合考虑月表坡度、周围地形遮挡和太阳辐照度的变化，提出了一种在给定观测时刻，获取月表任意位置月表温度的计算方法，并可通过与月球时间的转换，获取实时月表温度。
如图1所示，本发明实施例的方法可包括下述的步骤，具体如下所述。
步骤S1、基于斯特藩-玻尔兹曼定律和能量守恒定律，构建一种用于计算月球表面温度的月表温度模型。
所述月表温度模型采用下述公式一表示：
公式一：
其中，ε是月表发射率，α是月表反照率，σ是斯特藩-玻尔兹曼常数 5.67×10-8W m-2K-4，Q是月壤内部热流，Φ是目标点的纬度，Ψ是目标点的经度。
本模型是Racca基于斯特藩-玻尔兹曼定律和能量守恒定律，构建的一种稳态的月表温度模型。
步骤S2、根据日月距离、地球辐射、待计算的月球表面目标点的太阳辐射入射角、坡度信息，确定目标点的月球表面外部热源的有效辐照度S0；
依据Racca模型，太阳有效辐照度是影响月球白天的温度变化的重要参数之一，可以根据日月距离Dms和太阳辐射入射角z进行修正：
S0＝I·(AU/Dms)2·cos(z)。
同时，月表温度还受到地球辐射Searth的影响，因此，需要对Racca 模型中的月表外部热源的有效辐照度S0进行修正。
月球表面外部热源的有效辐照度S0为：
S0＝I·(AU/Dms)2·cos(z)+Searth。
其中，AU是一个天文单位，Dms是日月距离，单位为AU，I是太阳常数，单位为W·m-2，Searth是地球辐射，z是太阳辐射入射角，单位为度。
优选地，太阳辐射入射角z采用公式二获得：
公式二：
太阳辐射入射角z的计算原理如图2所示，其中，
为目标点的坡面法向量，
为月面点-日心方向矢量。
在实际应用中，目标点的坡面法向量和月面点-日心方向矢量
可以基于DE系列历表根据目标点的经度、纬度及观测时刻获得。
基于NASA推出的DE系列高精度历表，以及美国海军天文台天体测量软件(NavalObservatory Vector Astrometry Software，NOVAS)可以得到不同时刻太阳和月球在所需坐标系下的数据，从而获得
和两个向量，在此，本实施例不做详细介绍。
步骤S3、根据目标点观测时刻周围地形的遮挡情况，获取目标点的太阳可视因子P。
如图3所示，月球表面大尺度地形起伏会对目标点(月面点D)产生遮挡，这会极大影响月表温度的分布。
∠ADC太阳视半径角ω，∠BDE为观测时刻目标点月面点D的最大地形高度角
∠ADE为观测时刻目标点月面点D的最大太阳高度角λ。
当∠BDE>∠ADE时，月面点D不能被太阳照射；
当0<∠ADE-∠BDE<2∠ADC，月面点只能被太阳的一部分照射；
其它情况下，月面点D可以被整个太阳照射。
因此，这种影响可引入太阳可视因子P进行判定。
若月面点D受到整个太阳照射，则P＝1，
若月面点D受到太阳的一部分照射，则
若月面点D不能被太阳照射，则P＝0。
具体地，本步骤包括：
步骤S3a、依据目标点的地形，确定目标点最大地形高度角
目标点最大太阳高度角λ，太阳视半径角ω。
(1)基于DE系列历表，依据当前目标点的经度和纬度，获取观测时刻太阳、月球位置，并通过坐标转换至月心天球坐标系；
(2)计算最大太阳高度角λ及太阳视半径角ω。
如图4所示月球太阳几何关系图，其中，Y点为待计算的目标点， BS为太阳半径，M为月球月心。∠BYS为太阳视半径角ω，即Y点到太阳中心点S的矢量YS与Y点与太阳的切线BY的夹角；∠SYK为观测时刻Y点的太阳高度角，即Y点到太阳中心点S的矢量YS与地平线HK的夹角；∠BYK为最大太阳高度角λ。
因此，太阳视半径角ω的计算公式为：
∠BYS＝arcsin(BS/YS)。
观测时刻最大太阳高度角∠BYK可由下式表示：
依据最大太阳高度角∠BYK可获得目标点任意时刻的最大太阳高度角λ。
(3)基于月球轨道激光高度计数据(LOLA)，依据当前目标点的经度和纬度可获得目标点周围的地形起伏特征，并依据此特征，确定观测时刻目标点最大地形高度角
如图5所示，M为待计算目标点，为目标点最大地形高度角，虚线圆周为月球参考基准面，实线圆周为待计算目标点高程所在的基准面。
MM′为M点高程，MN为M点地平线，若入射方向路径上的月面点高程大于NN′，例如图中的H点，则此地形高度角大于0；若入射方向路径上的月面点在地平线以下位置，例如图中的H'点，则此地形高度角小于0。若此时的太阳高度角大于入射方向路径上所有月面点的地形高度角，即大于入射方向路径上的最大地形高度角，则此刻月面地形不会对M点造成遮挡，受到光照；否则，M点会受到月面地形的遮挡，不受到光照。
根据图5所述的几何关系结构，目标点地形高度角
的计算公式为：
其中，MN是待求月面点M的地平线，O为月心。
计算目标点与入射路径上月面点所成地形高度角
其最大值就是目标点最大地形高度角
具体地，关于目标点最大地形高度角，太阳高度角的确定，如文献：张吉栋，《基于LOLA数据的月球光照及应用研究》[D]，长春：吉林大学，2017，P23-P25所述，本实施例不做详细介绍。
步骤S3b、判断目标点最大地形高度角
目标点最大太阳高度角λ，太阳视半径角ω的大小，确定太阳可视因子P：
若
则P＝0；
若
则
若
则P＝1。
步骤S4、根据所述月球表面外部热源的有效辐照度、太阳可视因子和观测时刻，基于所述月表温度模型，获取用于结合月球地形和太阳辐照度的实时测量月球表面温度的模型。
基于上述理论和模型，在综合考虑太阳辐照度随时间的变化和月表坡度、周围地形遮挡，获取的结合月球地形和太阳辐照度的实时测量月球表面温度的模型为：
上述的步骤是按照地球观测时刻，采用地球UTC(Coordinated Universal Time,协调世界时)时刻计算出来的，在实际应用中，需要 UTC观测时刻换算成月球的24小时，获取实时月球时间月球表面目标点的温度。
因此，本方法还包括以下步骤：
步骤S5、根据观测时刻获取月球表面目标点的月球本地时间Hr。
当观测时刻确定后，可根据地球观测时刻确定待计算月面点的本地时间Hr。
转换原理如图6所示：
以观测时刻太阳直射日下点的经度Slon为正午十二点，待计算月面点的经度为Ylon，若Ylon在Slon西侧，此月面点处于上午时间，否则处于下午时间，具体月面点的本地时间可由下面的公式进行计算：
Hr＝12+(Ylon-Slon)/15
Hr＝Hr-24Hr≥24
Hr＝Hr+24Hr<0。
具体地，步骤S5包括：
步骤S5a、获取观测时刻月球上太阳直射日下点的经度Slon；
步骤S5b、根据公式三计算月球本地时间Hr；
公式三：
步骤S5c、判断获得的Hr的大小，
若Hr≥24，则将获得的Hr减去数值24，
若Hr＜0，则将获得的Hr加上数值24。
可选地，还可以执行步骤S6，根据换算的月球时间，进而描述月球一天的温度变化。
步骤S6、根据月球本地时间Hr与目标点的温度T0(φ,ψ)，输出目标点月球本地时间一天的温度动态变化。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种获取月球表面温度的方法，其特征在于，包括：
步骤S1、基于斯特藩-玻尔兹曼定律和能量守恒定律，构建一种用于计算月球表面温度的月表温度模型；
步骤S2、根据日月距离、地球辐射、待计算的月球表面目标点的太阳辐射入射角、月表坡度，确定目标点的月球表面外部热源的有效辐照度S0；
步骤S3、根据目标点观测时刻周围地形的遮挡情况，获取目标点的太阳可视因子P；
步骤S4、根据所述月球表面外部热源的有效辐照度、太阳可视因子和观测时刻，基于所述月表温度模型，获取用于结合月球地形和太阳辐照度的实时测量月球表面温度的模型；
其中，所述步骤S1中的月表温度模型采用公式一表示；
公式一：
其中，ε是月表发射率，α是月表反照率，σ是斯特藩-玻尔兹曼常数5.67×10-8W m-2K-4，Q是月壤内部热流，Φ是目标点的纬度，Ψ是目标点的经度；
所述步骤S2中月球表面外部热源的有效辐照度S0为：
S0＝I·(AU/Dms)2·cos(z)+Searth；
其中，AU是一个天文单位，Dms是日月距离，单位为AU，I是太阳常数，单位为W·m-2，Searth是地球辐射，z是太阳辐射入射角；
所述步骤S2中太阳辐射入射角z采用公式二获得；
公式二：
其中，
为目标点的坡面法向量，
为月面点-日心方向矢量；
所述步骤S3，包括：
步骤S3a、依据目标点的地形，确定目标点最大地形高度角
目标点最大太阳高度角λ，太阳视半径角ω；
步骤S3b、判断目标点最大地形高度角
目标点最大太阳高度角λ，太阳视半径角ω的大小，确定太阳可视因子P：
若则P＝0；
若
则
若
则P＝1；
所述步骤S4中获取的模型为：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取月球表面温度的方法还包括：
步骤S5、根据观测时刻获取月球表面目标点的月球本地时间Hr。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
步骤S5a、获取观测时刻月球上太阳直射日下点的经度Slon；
步骤S5b、根据公式三计算月球本地时间Hr；
公式三：
步骤S5c、判断获得的Hr的大小，
若Hr≥24，则将获得的Hr减去数值24，
若Hr＜0，则将获得的Hr加上数值24。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取月球表面温度的方法还包括：
步骤S6、根据月球本地时间Hr与目标点的温度T0(φ,ψ)，输出目标点月球本地时间一天的温度动态变化。
5.一种处理装置，其特征在于，包括：
存储器、处理器、总线以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-4任意一项的步骤。
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