月球是地球唯一的天然卫星，是典型的无大气天体，具有独特的空间位置，是人类迈向深空的门户。20世纪50至70年代，美国、苏联竞相实施了一系列月球探测任务，实现了人类登陆月球的壮举，累计将重达381.65 kg的月球样品带回地球并开展了样品分析研究^[3]。但受限于当时的样品分析手段和分析仪器的测试能力，两国未能完全挖掘样品的科学价值。

月尘是月球表面非常重要的空间环境因素，也是月球表面着陆探测或载人登月探测需要面对的首要环境问题，因此在探月的历次任务中都对其进行了相关的探测。在美国“勘测者计划”（Surveyor）系列任务和“阿波罗计划”（Apollo）系列任务中，携带的相机清晰地拍摄到了月面水平辉光的影像。此外，Apollo 15和Apollo 17任务的宇航员用肉眼也看到了月平线辉光，由此推测在月表上方可能存在尘埃云。2013年9月，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA)的月尘专项任务月球大气与粉尘环境探测器（Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE）成功实施。LADEE作为月球尘埃特性探测的专项任务，其科学目标为探测月球的大气和尘埃环境。LADEE任务中共配置了“中性质谱仪”“紫外-可见光光谱仪”“月球粉尘实验设备”3个科学载荷^[4]，其中“月球粉尘实验设备”获取了超14万次尘埃撞击事件的数据，“紫外-可见光光谱仪”获得了230~810 nm波长范围内的超100万组光谱数据，“中性质谱仪”测定了⁴⁰Ar、²⁰Ne、太阳风成分以及He等稀有气体。此外，在月球的外逸层中，目前探明的中性大气成分包括Apollo 17任务中探测到的Ar和He以及LADEE任务中探测到的Ne、Al、Ti和Mg等元素成分。同时，在月球外逸层中也有离子存在，包括多个探测载荷观测到的O⁺、Si⁺、Na⁺、Al⁺、He⁺、C⁺、K⁺和Ar⁺等正离子^[5]。

2004年，我国开始实施“嫦娥工程”月球探测系列任务。该系列任务实施的前后顺序依次为“无人月球探测”“载人登月探测”和“月球基地建设”^[6]。截至目前，我国已圆满完成了“无人月球探测阶段”的“绕”“落”“回”三期任务，为月球科学研究提供了第一手原位探测数据。我国的环绕月球探测包括嫦娥一号和嫦娥二号两次任务，在两次任务中利用高能粒子和太阳风离子探测器对地月和近月的空间环境进行了探测。我国的月球着陆探测以在月表开展就位和巡视探测为主要目标，包括了嫦娥三号和嫦娥四号两次任务。嫦娥三号任务利用携带的8台科学载荷开展了“测月、巡天、观地”的科学探测任务^[7]。嫦娥四号任务中共配置6台科学载荷，在着陆器上搭载的科学载荷包括降落相机、地形地貌相机、低频射电谱仪；在巡视器上搭载的科学载荷包括全景相机、测月雷达和红外成像光谱仪。嫦娥四号任务还搭载了3台以国际合作形式引进的载荷，包括沙特阿拉伯研发的“小型光学成像探测仪”、与瑞典合作研制的“中性原子分析仪”，以及德国研发的“月表中子与辐射剂量探测仪”，并首次在月球背面开展了对中子辐射剂量、中性原子等探测任务^[8]。嫦娥五号任务和嫦娥六号任务主要实现了月球样品采样返回。月球样品采样返回的科学目标包括两个独立而又相互联系的任务，分别是着陆区的现场调研与分析，以及月球样品的分析和研究。近年来月球探测开始向资源开发利用的方向转变，各航天大国的深空探测计划再次聚焦于月球^[9]。2017年，美国时任总统特朗普签署了《1号太空政策指令》，批准了“阿尔忒弥斯”计划（Artemis Program），目标是在2024年前将宇航员送往月球并返回，并建立常态化驻留机制。欧洲近年来也在积极准备对月球南极地区的探测，同时提出了概念性的国际“月球村”（Moon Village）计划。俄罗斯拟通过实施5次月球南极任务，以最终实现建立月球基地。我国也发起了国际月球科研站计划，目标是完成在月球表面或月球轨道上长期运行的综合性科学实验场所的建设。

与地球空间环境探测不同，其他行星表面难以实施地基观测，人类主要依赖探测器的原位探测来认识类地行星的空间环境。早期对类地行星的探测方式主要是飞掠，目前已转为环绕行星的长期探测，如火星大气与挥发物演化任务（Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission，MAVEN）。MAVEN航天器穿过火星大气层的外层边缘（椭圆轨道，与火星的距离为150～6000 km），使用8种科学载荷长期测量气体并监测周围环境。MAVEN任务设定的主要科学目标为探索火星大气流失至太空的演化历程^[10]。另外，对类地行星的探测形式正在从早期短期环绕轨道探测持续向释放着陆器在着陆过程中开展高度剖面探测或行星表面安放科学载荷进行转变^[11]，如NASA已经实施的好奇号（Curiosity）和洞察号（InSight）探测任务。好奇号主要是探测火星过去或现在是否具有支持微生物生存的环境，从而确定火星是否具有可居住性，其配置的探测载荷包括火星降落成像仪（Mars Descent Imager，MARDI）、桅杆相机（Mast Camera，Mastcam）、火星手持透镜成像仪（Mars Hand Lens Imager，MAHLI）、火星样本分析仪(Sample Analysis at Mars，SAM）、化学与矿物学分析仪（Chemistry and Mineralogy，CheMin）、化学与摄像机仪器（Chemistry and Camera，ChemCam）、阿尔法粒子X射线分光计（Alpha Particle X-Ray Spectrometer，APXS）、中子反照率动态探测器（Dynamic Albedo of Neutrons，DAN）、辐射评估探测器（Radiation Assessment Detector，RAD）、火星车环境监测站（Rover Environmental Monitoring Station，REMS）等^[12]。洞察号是首个研究火星内部的探测任务，搭载了3种主要的科学载荷，分别为内部结构地震实验装置（The Seismic Experiment for Interior Structure，SEIS）、热流与物理性质实验包（Heat Flow and Physical Properties Package，HP3）以及自转与内部结构实验装置（Rotation and Interior Structure Experiment，RISE）^[13]。多个在未来预计执行的金星探测计划中，还可能会释放浮空器在金星大气中做悬浮探测。

此外，由于探测器的单点探测不能区分和识别行星空间环境物理量的时空变化，目前行星探测器环绕轨道的探测将逐步由单点向多点联合探测发展^[14]，如BepiColombo水星探测任务。该任务包括两个探测器，分别为由欧洲航天局研发的水星环绕器（Mercury Planetary Orbiter，MPO）和由日本宇宙航空研究开发机构研发的水星磁层环绕器（Mercury Magnetospheric Orbiter，MMO）^[15]。NASA计划于2025年发射“逃逸探索者”（Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers，EscaPADE）火星探测任务。该探测任务由两颗卫星组成，将是人类首次利用双星对火星空间环境开展长期持续探测，并将对火星的磁层、太阳风、电离层进行规划的同时两点联合探测^[16]。

巨行星处在外太阳系，因此对其空间环境的探测与类地行星相比，所需的时间和资源更多。巨行星除了体积和质量更大，相比于类地行星还有更强的磁场。巨行星通常具有较多的卫星，并且卫星的大小、轨道和物理特性差异较大，因而产生了多样复杂的行星空间环境。如伽利略号木星探测器，配置了固态成像照机（Solid-state imaging camera）、重离子计数器（Heavy ion counter)、近红外勘成像光谱仪（Near-infrared mapping spectrometer）、尘埃探测器（Dust detector）、紫外光谱仪（Ultraviolet spectrometer）等17种科学载荷，用于对木星大气、云层结构、尘埃、粒子辐射环境等方面的探测和研究。伽利略号绕木星飞行了34圈，观测结果极大促进了人类对木星和其卫星的了解。由于就位的探测数据非常有限，对巨行星空间环境的研究还需要地基或天基的遥感和数值模拟的辅助^[17]。如木星具有太阳系内最强的辐射带，其高能电子产生的同步辐射最早是由地基射电天文观测发现。

巨行星空间环境的探测方向逐渐转向其天然卫星系统。如卡西尼惠更斯号（Cassini-Huygens）土星探测器配置了等离子体分光计、宇宙尘埃分析仪、复合红外分光计、离子和中性粒子质谱仪、磁强计、磁场成像仪、无线电波和等离子体波科学仪器、可见光和红外线测绘分光等27种最先进的科学载荷，在土星的环绕轨道上对其大气、光环和磁场等进行原位探测。惠更斯号子登陆器于2004年12月25日从轨道器分离，2005年1月14日进入土卫六（Titan，又称泰坦星）的大气层。惠更斯号子登陆器在降落到泰坦星的表面前累计获取了350张图像，同时获取了泰坦星的大气组成和风速数据。登陆过程中获取的图像表明，泰坦星的地貌上有曾经因降雨、河流冲刷或地质运动造成的侵蚀痕迹。惠更斯号子登陆器最终降落在一个隆起带上，周围存在类似河滩的碎石，其表面有河流冲刷的痕迹^[18]。这些巨行星卫星独特的环境很可能孕育太阳系内的地外生命。在木星冰月探测器（JUpiter ICy moons Explorer，JUICE）成功实施的基础上，后续国外的各大航天局还规划了一系列太阳系探测任务，将利用先进的科学载荷研究巨行星卫星的内部海洋与其近地表环境之间的关系，并会搜寻可能存在的生命信号，如Europa Clipper欧罗巴快船计划多次飞掠木卫二、蜻蜓（Dragonfly）土卫六着陆、俄罗斯的Laplace-P计划下潜探测木卫二^[19]。

巨行星探测的目标是人类探测器技术的发展极限，距离地球最远的两颗冰巨星天王星、海王星直到最近200年才被天文学家发现。目前，仅有“旅行者1号”（Voyager 1）、“旅行者2号”（Voyager 2）对这两颗行星完成过飞掠探测。针对天王星和海王星的环绕探测还处在酝酿阶段，任务实施的技术难度要求科学家和工程师需进行国际的通力合作才有可能成功实现。

太阳系小天体包括大部分小行星、大部分海王星轨道以外的天体、行星际尘埃和所有彗星。太阳系小天体被认为在长期的太阳系演化中极大限度地保留了在原始太阳系星云中的形态，包含了行星和生命形成的剩余物质。因此，小天体的研究对于了解从原始太阳系星云到目前太阳系的演化过程极其重要。成本较低的研究主要是地基和天基的光学观测^[20]。通过这些观测可以确定小天体的轨道参数，再通过轨道模拟就可以确定小天体的来源。随着航天技术的发展，人类能够实现就位探测的小天体越来越远。目前人类已实现的对小天体空间环境的探测主要有飞掠探测、就位探测和采样返回。人类对小天体正在逐步从单纯的科学探测向小行星防御和资源利用方面转变^[21]。就位探测成功的案例有罗塞塔号彗星探测器（Rosetta）^[22]。罗塞塔号是ESA组织的无人太空船计划，其探测对象为彗星67P/Churyumov-Gerasimenko。罗塞塔号由罗塞塔探测器及菲莱登陆器组成。采样返回任务如欧西里斯号小行星取样返回探测器（Origins，Spectral Interpretation，Resource Identification，Security Regolith Explorer，OSIRIS-Rex）^[23]，探测目标为C型小行星101955 Bennu。欧西里斯号的科学载荷包括相成像探测包（OSIRIS-Rex Camera Suite，OCAMS）、雷达高度计（OSIRIS-Rex Laser Altimeter，OLA）、可见与红外光谱仪（OSIRIS-Rex Visible and Infrared Spectrometer，OVIRS）、热辐射谱仪（OSIRIS-Rex Thermal Emission Spectrometer，OTES）、风化层X光谱仪（Regolith X-ray Imaging Spectrometer，REXIS）等^[24]。

人类对小天体的探测从早期的光学观测逐渐发展为对小天体表面、内部成分以及小天体与行星际等离子体环境相互作用的研究。未来的小天体原位探测任务必将是可探测性和探测对象代表性之间权衡的结果。