0 引言
目前，月球科研站的选址及相关科学探测对选址的需求研究主要考虑了月球地质、地形、光照条件、物质成分、微波热辐射等特征因素[7-16]。肖龙等[8]基于2030年前中国可能具备的月球探测能力，对深部月壳和月幔的成分、火山活动和热历史、月球撞击历史与模式年龄、内部结构、水及挥发分、月壤和月尘的性质以及月球资源等7个方面进行了系统分析，为月球科研站的建设提供了18个建议的备选着陆区。牛冉等[9]针对载人月球探测科学目标提出了30个建议的备选着陆区。贾瑛卓等[10]和郭华东等[11]分析了月基对地观测对月球基地选址需求。孟治国等[5]、张吉栋等[7]和陈学雷等[12]分析了月基射电天文观测对月面选址的需求。祝寒友等[13]分析了月基小行星观测的可行性及选址需求。
月球南极地区目前也是国际备受关注的月球科研站备选站址研究区域，此区域的研究主要考虑了能源供给、可观测天区、环境条件、地质条件、稀缺资源、航天器着陆条件、落点误差容错率等[12-16]。月基对地观测研究，如全地球面观测或与地球相关的等离子层/磁层观测，以及在坡度、对地观测时间覆盖和日照时间覆盖的研究，均需考虑月球表面的地形 [15]。是否考虑地形的日照时间覆盖率对在实际选址过程中，存在显著差异；在月球绕地球轨道运行期间，极昼和极夜出现在南极地区的高纬度地区，陨石坑底部存在一些永久阴影区，提供了较好的热环境和辐射防护。在环形山内丘、坑洞和隆起边缘分布着一些适宜建立月球基地的连续高评价连片区域 [16]。
1 月基紫外-光学-红外天文观测对月面选址的需求
月基天文观测已摆脱地球大气影响，开展月基紫外-光学-红外波段天文观测的站点选择，需要考虑可观测天区、能源、通信、月尘、地面坡度等影响。
对于月基天文巡天观测，至关重要的是望远镜设备能观测到的天空区域越大越好，即着陆点地面周围地形和其他设备对望远镜观测天区的遮挡越小越好。可总结为：地平高度15°以上无遮挡或天际线分布图中各方向天际线距天顶张角不小于75°。
天文需要全天时观测，因此，能源方面，需要月昼和月夜有持续的能源支撑，在保障能源充足条件下，对太阳光照时间没有特别要求；通信方面，月基天文观测会产生大量观测数据，通信需保障设备控制和数据传输需求；月尘方面，月尘可影响设备运行安全和观测效率，需要采取必要措施尽量减少月尘对设备影响；坡度方面，尽量保持平整，便于设备平稳着陆。
2 月基天文观测站点可见天区分析方法和流程
2.1 月基天文观测站点可见天区分析方法
随着深空探测技术的不断发展，月基天文观测成为探索宇宙的重要窗口。为了更有效地利用月球表面进行天文观测并且在月球上选择更加合适的观测站点，需要对候选观测站点的可见天区进行精确分析。本文基于月球数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）数据提出了一种可见天区分析方法，为月基天文观测站的选址提供科学依据。
地形几何遮挡是天文观测中的一个关键影响因素，特别是在月球表面观测时，由于月球地形的不规则起伏，观测点周围的地形结构可能显著地遮挡观测视线。为了精确计算和评估这种遮挡效应，获取月球表面的三维地形特征至关重要。近年来，利用立体相机或激光测高等方法获得的月表DEM数据，由于其具有三维的空间表达能力和精细的地形解析能力，已被广泛应用于月表形貌特征及其空间分异特征研究中。如中国的嫦娥二号20 m分辨率全月数字高程模型数据[17]，该数据是利用嫦娥二号立体相机CCD在100 km轨道高度获取立体像对制作的。美国宇航局月球勘测轨道器(Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO)任务上的激光高度计(Lunar Orbiter Laser Altimeter, LOLA)测量得到的月球多个区域的高分辨率DEM数据[18]。上述的DEM数据不仅详细记录了月球表面的地形变化，还提供了月球的不同位置地形及月面的精确高度信息。
在成功获取月球表面的地形图后，为了进一步评估不同观测点的天文观测潜力，本文采用了一种系统的可见天区计算方法。首先，依据科学任务和研究价值的评估确定多个月球天文观测的候选坐标点，根据确定的候选坐标点和月球的DEM数据，得到各个候选坐标点所在位置及其附近地形的高度，从而构建出候选观测位置在月球表面的三维地形模型。其次，根据估计探测设备可探测范围，构建完整的观测点可观测范围内的地形模型，并利用月球表面的地形和高度变化，计算从观测点到地平线的视线轨迹。随后，通过检查视线轨迹是否与地形模型相交来确定是否存在遮挡，如果存在遮挡，则计算可见天区（即视线无遮挡的区域）与不可见天区（即视线被地形遮挡的区域）的边界线的地平高度角。最后，汇总候选坐标点的观测方向的遮挡情况，得到该候选坐标点位置的可见天区分布，即可观测天区沿方位角的地平高度分布图，作为观测候选坐标点的进一步筛选信息。
基于地形几何遮挡分析的结果，通过对可见天区的形状、方向分布等关键参数的评估可以对候选坐标点位置的可见天区进行详细分析。通过对比不同候选坐标点位置的可视天空区域特征，可以为月基观测站的选址提供科学、系统的决策支持。这一过程不仅要考虑地形起伏对观测视线的潜在遮挡，还需要充分考虑天文观测中望远镜可观测范围、技术可行性等多个维度的影响，以确保所选站坐标点能够满足天文观测的需求。
2.2 月基天文观测站点可见天区分析计算流程
月基天文观测站坐标点可见天区的分析计算流程主要包括以下步骤，流程图如图1 所示。
(1) 获取月表的数字高程模型，得到月球的不同位置地形及地面的高度信息。
(2) 获取月球天文观测的候选点坐标位置，包括经度、纬度等信息。
(3) 根据天文观测候选站点的位置信息，在月表DEM数据中找到该点所在的地表高度位置。由于望远镜常放置于着陆平台上，因此在设置观测点高度信息时，需要考虑主镜放置的高度。
(4) 根据设备可观测范围信息，构建候选观测点周围的地形模型。
(5) 对于观测点的每一个观测方向，分析从观测点到地平线的视线轨迹。
(6) 检查视线轨迹是否与地形模型相交，以确定是否存在遮挡，并计算遮挡位置的地平高度角。
(7) 汇总观测点所有观测方向的遮挡情况，得到该观测点可见天区沿方位角的地平高度分布图。
2.3 月基天文观测站点可见天区分析计算结果
根据以上分析方法，我们基于LOLA获得的512 PPD（像元/度）分辨率月球DEM数据 [19]开展分析，以月面南极附近地区四个位置点为例，初步假设望远镜主镜放置高度为距离月面2.5 m，对其进行的天文观测可见天区分析计算结果如图2 所示。根据天文观测需要，将对应站点的可见观测天区分布分为优、良、中、差四个等级，具体判定标准参见表1 。依据此标准，图2 （a)~(d）的可观测天区依次对应优、良、中、差四个等级。
图 2 月面南极地区四个地点的可见天区分布Fig.2 The visible sky distribution of four locations near the South Pole of the Moon |
表 1 月面天文观测站点可观测天区分布等级判定标准Table 1 The criteria for determining the distribution grades of observable sky areas at lunar astronomical observation sites |
| 天文观测站点 可观测天区分布等级 | 判定标准 |
| 优 | 该点满足地平高度15°以上几乎无遮挡，或地平高度15°以上在方位角方向被遮挡的天区张角不大于5° |
| 良 | 该点满足地平高度15°以上在方位角方向被遮挡的天区张角大于5°且不大于15° |
| 中 | 该点满足地平高度15°以上在方位角方向被遮挡的天区张角大于15°且不大于45° |
| 差 | 该点满足地平高度15°以上在方位角方向被遮挡的天区张角大于45° |
基于对月面多个地点的分析发现，地势较高、较平坦且周围天空视角几何遮挡较小的站点区域更有利于获得更大且更均匀的可见天区，以及紫外-光学-红外巡天观测。例如一些地势较高且缺少局部凸起地形特征的平原区域、陨击坑周围地势较高较平坦的边缘地带更容易获得较好的天文可见天区条件，而陨击坑的坑底，因受周围较高边缘地带和坑中心凸起峰的遮挡影响，较难获得较好的天文可见天区条件。
对于月球数字高程模型数据分辨率对天际线的影响，我们将LOLA获得的高分辨率数据（5 m/px）[20]和较低分辨率数据（60 m/px） [21]进行对比分析，以月球南极附近任选一点为例，在高于该点月面2.5 m的点处进行分析，得到的天际线如图4 所示。图4 （a）、（c）分别对应基于每像元5 m的高分辨率数据和每像元60 m的较低分辨率数据对可见天区分析结果。结果表明两者有明显不同，基于较低分辨率数据分析的天区可见性更差。因此，可见天区分析中所使用月球数字高程模型数据分辨率对分析结果有明显影响，一般分辨率越高，分析结果越可靠，但也带来更大的计算量。在算力足够的情况下，可基于此方法，通过遍历月面各点生成全月面天文观测可见天区质量分布图。图中彩色点表示望远镜镜筒放置位置（高出月面2.5 m），彩色线表示围绕该点天际线分布。
3 月基天文观测站点天体观测样本可见性分析方法
根据天文科学目标的不同，需要选取相应的观测源样本。对于月面天文站点，观测源样本的可见性是影响科学目标能否实现和实现程度的一个重要因素。我们研究了月基天文观测站点天体观测样本可见性分析方法，结合月球参考系和动力学模型，基于SPICE工具包开发了仿真分析观测样本可观测情况的算法。该算法可将天体的ICRS坐标转换至月面观测站点位置的地平坐标系，从而分析可见度情况。下面以系外行星候选体样本和疏散星团样本为例，分析这些样本对应不同站点为期1年的可观测天数和对应某个观测时刻的可见性。观测样本可根据需要换成对应不同科学目标的观测样本，如星系、暂现源等。
图 5 月面低纬度（0°E,0°S）观测站点一年观测时间内TESS系外行星候选体样本可观测天数图Fig.5 The observable duration of TESS exoplanet candidates at low latitudes (0°E, 0°S) on the Moon's surface over a one-year observation period. The color bar, progressing from left to right, indicates the range of observable days from 156 to 208 |
图 7 月面高纬度（0°E,80°S）观测站点一年观测时间内TESS系外行星候选体样本可观测天数图Fig.7 This graphic displays the duration of TESS exoplanet candidates that can be observed at high latitudes (0°E, 80°S) on the Moon's surface throughout a one-year observation period |
图 8 疏散星团在月面南半球高纬度地区某示例观测站点（42°E,89°S）可观测情况Fig.8 The observable conditions of an open star cluster sample at a randomly chosen high-latitude observation site (42°E, 89°S) in the southern Moon's hemisphere, as seen on July 2, 2023, at 0:00 UTC, are illustrated. The black solid line denotes the horizon, while the colored lines (red, yellow, and blue) represent lunar elevations of 15°, 30°, and 60°, respectively. The red pentagram indicates the zenith at the location |
4 结语
本文主要介绍了月基紫外-光学-红外天文巡天观测对月面选址的需求，并针对其核心需求提出了月基天文观测站点可见天区分析方法和流程，以及月基天文观测站点天体观测样本可见性分析方法。月基天文观测是国际月球科研站核心科学目标之一，综合性月球科研站的选址需综合考虑各项科学的需求，且单项科学研究也需根据科学目标最优化综合考量各项影响因素。本文通过对月球天文观测站点的可见天区分析发现，地势较高较平坦、周围天空视角几何遮挡较小的站址区域更有利于月基紫外-光学-红外巡天观测。可见天区分析中所使用月球数字高程模型数据分辨率对分析结果有明显影响，分辨率越高，分析结果越可靠，同时计算量也更大。在算力足够情况下，可基于此方法，通过遍历月面各点生成全月面天文观测可见天区质量分布图。通过月基天文观测站点天体观测样本可见性分析能够得到不同站点、多个科学目标观测样本的可见性。本研究提出的方法适用于全月面范围内任意指定点的选址分析，可为国际月球科研站等探测计划的建设提供参考。