АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2015, том 49, № 2, с. 100-116
УДК 523
КАРТОГРАФО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОСАДОЧНЫХ ПЛОЩАДОК БУДУЩИХ РОССИЙСКИХ МИССИЙ
ЛУНА-ГЛОБ И ЛУНА-РЕСУРС
© 2015 г. И. П. Карачевцева1, А. А. Коханов1, А. А. Конопихин1, И. Е. Надеждина1, А. Э. Зубарев1, В. Д. Патратий1, Н. А. Козлова1, Д. В. Учаев1, Дм. В. Учаев1, В. А. Малинников1, Ю. Оберст1, 2, 3
Московский государственный университет геодезии и картографии, Россия 2Немецкий аэрокосмический центр (DLR), Германия 3Технический университет Берлина (TUB), Германия e-mail: i_karachevtseva@miigaik.ru Поступила в редакцию 03.12.2012 г. После исправления 02.10.2014 г.
В работе представлено краткое описание методов и технологий подготовки картографо-геодезического обеспечения для характеристики потенциальных посадочных площадок планируемых российских миссий Луна-Глоб и Луна-Ресурс. Даны описание и оценка используемых данных, включая цифровые модели рельефа (ЦМР) и ортоизображения, полученные на основе съемки космических аппаратов (КА) Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) и Kaguya. Приведены примеры использования предлагаемых методов для различных участков лунной поверхности, в том числе для оценки территории приполярных регионов Луны. Разработка информационного обеспечения будущих лунных миссий начата в 2011 г. и продолжается в Комплексной лаборатории исследования внеземных территорий МИИГАиК.
Ключевые слова: Луна-Глоб, Луна-Ресурс, дистанционное зондирование Луны, обработка космических изображений, планетная картография, ГИС, ЦМР, автоматизированное детектирование кратеров, 3Б-моделирование.
БО1: 10.7868/80320930X15020024
ВВЕДЕНИЕ
Проекты Луна-Глоб и Луна-Ресурс — планируемые Российским космическим агентством (РОСКОСМОС) этапы освоения Луны, которые предназначены для дистанционного и контактного изучения лунной поверхности, глобального картографирования естественного земного спутника и оценки возможности создания на Луне постоянной базы ^е1епу, 2012). Цель данной работы — разработка картографо-геодезического обеспечения для характеристики возможных территорий посадки на основе геоинформационных
технологий. В рамках планируемых проектов Луна-Глоб и Луна-Ресурс предполагается посадка в приполярных районах на видимой стороне спутника Земли. Исходя из научных целей, в том числе поисков воды (МИгоГапоу и др., 2012), а также инженерных позиций (Тучин, 2011), разработчиками (Институт космических исследований РАН) выбраны три потенциально подходящие посадочные площадки (рис. 1 и табл. 1).
Результативность предстоящих исследований во многом будет зависеть от точности и достоверности информации о рельефе лунной поверхности. Качество описания рельефа при изучении
Таблица 1. Координаты предполагаемых мест посадок планируемых российских миссий в приполярные районы Луны
№ Северная приполярная область Южная приполярная область
широта, град долгота, град широта, град долгота, град
1 75.6 8.4 70.7 25.5
2 73.8 357.2 82.9 34.9
3 74.1 34.3 77.1 26.8
100 0 км
I_I
Рис. 1. Обзорная карта южной приполярной области; основа: ЦМР GLD 100.
геоморфологических особенностей (кратериро-ванность, шероховатость и т.п.) зависит от надежности координатно-ситуационной информации. Это особенно важно потому, что исследования будут проводиться в приполярных регионах, где точность координатных данных существенно ниже, чем в других областях видимой стороны Луны.
Цифровые модели рельефа (ЦМР) позволяют в полной мере описать топографическую информацию с высокой точностью и детальностью. В настоящее время самая современная информация о Луне поступает с космического аппарата (КА) NASA Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), который находится, в основном, на круговой полярной орбите высотой около 50 км над поверхностью Луны (Robinson и др., 2010). KA LRO оборудован комплексом из 6 научных инструментов, в число которых входит система оптических камер (LROC), а также лазерный высотомер (LOLA). LROC состоит из трех ПЗС-камер: широкоугольной камеры низкого разрешения WAC (Wide Angle Camera) и двух узкоугольных камер высокого разрешения NAC (Narrow Angle Camera).
По 69000 стереопарам, полученным камерой LRO WAC, построена глобальная ЦМР Луны c
разрешением 100 м/пиксель Global Lunar Digital Terrain Model (GLD 100) (Scholten и др., 2012), покрывающая 98.2% поверхности, а также глобальная ортомозаика с тем же разрешением. С помощью камер LRO NAC осуществляется съемка поверхности с максимальным разрешением 0.3—0.5 м/пиксель (Robinson и др., 2010). На основе LRO NAC можно формировать ЦМР с высотным разрешением до 1 м, что открывает широкие перспективы исследований Луны на детальном уровне.
Другой прибор на борту КА LRO — лазерный альтиметр Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA), точность съемки которого по высоте составляет 10 м (Smith и др., 2010). ЦМР, полученные на основе данных LOLA, характеризуются более детальными значениями высот непосредственно лишь в местах прохождения треков лазерного высотомера. Значения высот между треками интерполируются, результаты интерполяции определяются густотой треков.
Таким образом, современные данные дистанционного зондирования обеспечивают возможность изучения поверхности и рельефа Луны как на глобальном уровне, так и с высокой степенью
Таблица 2. Перечень использованных ЦМР
№ п/п Название ЦМР Пространственное разрешение, м/пиксель Производитель (источник данных)
1 GLD 100 100 DLR (ht- tp://wms.lroc.asu.edu/lroc/global product/100 mp p_DEM)
2 LDEM 1024 30 LOLA Team (http://imbrium.mit.edu/DA-TA/LOLA_GDR/)
3 DTM_TCOrtho Kaguya 10 Kaguya Team (http://l2db.se-lene.darts.isas.jaxa.jp/index. html .en)
4 NAC DTM 2-5 ASU, DLR, TUB, Ames, UA, USGS (ht-tp://wms.lroc.asu.edu/lroc/dtm_select?page=1)
5 NAC DTM "Луноход-1" 1 МИИГАиК
6 NAC DTM "Луноход-2" 30 МИИГАиК
7 NAC DTM "Луна-Глоб" 5 МИИГАиК
8 NAC DTM "Lunokhod-1" 1 DLR
9 NAC DTM "Lunokhod-2" 0.5 TUB
детальности. Для целей моделирования топографической ситуации в приполярных регионах на основе картографических методов нами использованы все перечисленные выше источники информации, а также данные японского спутника Kaguya (Haruyama и др., 2014). Перечень данных представлен в табл. 2, куда включены как готовые информационные продукты, такие как GLD 100, так и результаты обработки LRO NAC, на основе которых в рамках настоящих исследований сформированы ЦМР высокого разрешения на приполярные регионы Луны.
ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
СКАНЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ LRO NAC
Над решением сложных задач формирования ЦМР лунной поверхности по данным LRO работают многие коллективы специалистов в различных лабораториях мира. При этом используются данные, полученные с разных приборов, установленных на КА LRO, включая обработку информации с лазерного альтиметра LOLA (Smith и др., 2010; Zuber и др., 2010), данных камер LRO NAC и WAC (Schölten и др., 2012). Отметим, что научные коллективы, применяя одни и те же данные LRO, используют различные программные продукты для обработки изображений и построения ЦМР (Tran и др., 2010).
В результате общими усилиями к началу 2012 г. исследователям удалось получить более 57 детальных ЦМР, созданных на основе LRO NAC, для различных участков лунной поверхности, включая места посадок космических аппаратов Apollo-15, -16 и -17 (Tran и др., 2010), а также Луна-17 и Луна-21 (Zubarev и др., 2012b; Карачевце-ва и др., 2012; Karachevtseva и др., 2013; Basilevsky и др., 2014). Большой интерес к этим территори-
ям вызван как наличием на поверхности Луны земных артефактов, связанных с лунной гонкой 1960—1970-х годов (для широкой публики), так и возможностью по-новому оценить лунные исследования прежних лет на основе современной информации.
Для создания ЦМР требуются данные, полученные в специальном режиме стереоскопической съемки. Не все данные LRO NAC, несмотря на заявленные в PDS (Planetary Data System, http:// pds.nasa.gov/) характеристики наличия стереоре-жима, имеют параметры, необходимые для создания ЦМР Это возможно определить только после оценки условий стереосъемки на основе специальной предварительной обработки космических изображений, которые формируют будущую стереопару. Для выполнения обработки стереоизображений необходимы следующие вспомогательные данные:
— Параметры съемочной камеры или элементы внутреннего ориентирования: фокусное расстояние, размер детектора, положение главной точки, наличие дисторсии.
— Элементы внешнего ориентирования: положение камеры в КА, положение КА на орбите, параметры орбиты относительно Луны, положение Луны относительно Земли, Земли относительно Солнца, Солнца относительно барицентра — эфе-меридная информация, которая хранится в базе данных SPICE (http://naif.jpl.nasa.gov/naif).
При этом необходимо учитывать особенности сканерной съемки LRO NAC, которая не конструировалась как стереокамера. Получение стереоэффекта достигается на основе использования изображений одного и того же участка, полученных с разных витков, если хотя бы один из них был снят с отклонением от надира. По команде с
Земли аппарат может выполнять ряд маневров, которые обеспечивают получение изображений одной территории под разными углами, достаточными для получения стереоизображений. Анализ имеющихся данных показал, что КА ЬЯО производит в основном надирную съемку местности (поскольку повороты аппарата препятствуют сбору данных другими приборами), и вследствие этого возможность отклонения от надира ограничена четырьмя разами в день.
Из-за недостаточной точности определения координат КА ЬЯО наилучшие метрические свойства стереоизображений достигаются при использовании данных, полученных с соседних орбит, так как в этом случае относительное положение КА определено наиболее точно вследствие небольшой разницы во времени между съемками, выполненными с разных витков. При этом также соблюдаются близкие условия освещенности поверхности, в отличие от использования данных, полученных в разное время суток, или даже сезонов.
Таким образом, с учетом анализа результатов дистанционного зондирования Луны, полученных узкоугольными камерами КА ЬЯО, сформулированы следующие
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.