[科普中国]-行星遥感

概述

空间飞行由绕地球、月球到向星际空间；搭载平台由无人卫星到载人飞船，从航天飞机到空间站。空间控测技术进步极大地推动了行星遥感科学研究的发展。

空间探测卫星所携带的传感器，如立体摄像机、红外扫描仪、红外辐射计、成像光谱仪、成像雷达、激光测高仪以及地面雷达和室内波谱测试，提供了大量有关行星大气、表面特征的图像和数据。这些信息可供人们研究行星大气组成、大气层结构、行星表面温度、地表形态、土壤成分与结构、岩石矿物组成、地质构造及行星内部结构等特征。1

探测历史月球探测早在六七十年代，由美国国家航空与宇宙航行局（NASA）主持，对月球实施了“徘徊者”、“探测者”、“轨道者”、“阿波罗”等—系列空间探测计划，对月球表面进行常规摄像机拍摄，获取了大数量、大面积图像。“阿波罗—17号”绕月时，其携带成像雷达与常规摄像机—起曾对月表进行了探测。在常规相机拍摄的月表照片上，可看到月面“环形山”、“月海”、“月山”、“月谷”等主要地貌特征，“环形山”呈浅色调，而“月海”色调却比较暗。在雷达图像上“环形山”是凸起的地物特征。利用这些资料，现已编制了月球地形图、地质图和构造图，并对月球表层土与岩石矿物组成，火山与岩浆活动，成坑过程与断裂成因等方面有了深入了解和认识。

火星探测火星探测始于60年代。“水手—4”于1964年1月28日发射，1965年7月14日飞临火星，在与火星相距l0000km的轨道上，送回火星表面2幅电视图像。“水手—6”1969年2月25日发射，—969年7月32日飞临火星，发回76幅表面图像。“水手—7”则于1969年8月5日送回126幅火星表面照片。“水手—9”号在1971年11月13日，送回7329幅火星表面大气、云层卫星图像。前苏联的“火星—4”，亦于1974年1月送回了火星表面图像。美国于1975年发射的“海盗—12”号飞船拍摄了51539张火星的清晰图像，几乎覆盖了火星整个表面，由于火星探测表面积扩大，图像分辨率的大幅度提高，使关于火星的知识成几何级数增长。图像揭示了火星表面存在大量火山、片状极地结构、蜿蜒曲折“运河”大断裂、峡谷、极冠与环形坑。有关火星极地地质特征成因，环形坑地貌及密度变化，悬崖峭壁，峡谷成因已有专家做了精辟论述和定量研究工作。

水星探测“形迹诡秘”的水星则由1974年发射的“水手—10号”揭开了其神秘面纱。它以距水星700km处对其成像。图像表明水星很像月球，环形山星罗棋布，另外还有山脉、陡壁、悬崖、盆地和平原。

金星探测最初金星资料获取则是1975年前苏联发射的“金星—9号”、“金星—10号”以及1978年发射的“金星—11号”、“金星—12号”来完成的。此外，美国“先锋—金星1号”、“先锋—金星2号”亦于1978年12月上旬发回了金星表面的探测资料。前苏联又于1981年发射了“金星—13号”、“金星—24号”；1983年又发射了“金星—15号”、“金星—16号”。装载在飞船上的摄相机雷达、红外辐射计和红外波谱仪分别对金星表面、地形、大气结构等进行了探测。初步结果认为金星表面相对比较平坦，“环形山”不象月球、水星那么发育，但金星上发育的高原、火山和山脉的规模都是地球上无法比拟的。

木星探测早在1973年和1974年美国先后发射的“先驱—10号”和“先驱—11号”就已拍摄了木星表面图像。为了进一步探测，于1977年8月和9月，美国发射了“旅行者—1号”和“旅行者—2号”，它们分别于1979年3月和7月飞临木星，并拍摄了数以千计的图像，这些高分辨率的图像，发现了木星环、大红斑和椭圆形斑结构，并发现了木星背阳面长30000km的极光以及木星的带状形态和小红斑结构。

土星探测土星探测除1979年9月“先驱—11号”发现了土星两个光环和—个环缝之外，后来的“旅行者—1号”、“旅行者—2号”相继于1980年11月和1981年8月对土星观测，根据发回资料，获取了有关土星云层结构和土星环的重要成果。

“旅行者—1号”和“旅行者—2号”目前还再向地球发回数据。其中“旅行者—2号”已于1989年9月观测了海王星。并提供有关木星、土星、天王星、海王星的大量信息，而“旅行者—1号”目前仍以每天3.5au速度（au相当地球到太阳的平均距离）向太阳飞行，预计这两艘飞船仍可继续航行25年。

限于当时宇宙航行技术、传感器研制水平及有效载荷要求的限制，传感器多为常规摄相机，只对月球、金星使用过微波和红外传感器，探测范围也多限行星某一局部区域，图像分辨率最高在100m左右，探测对像以月球、火星、水星、金星为主。1

发展现状美国“麦哲伦”空间计划，标志着本世纪最后十几年行星探测的开始。目前美国政府支持的空间计划有“麦哲伦”、“伽利略”、“尤利西斯”、“火星观察者”、“Cassini”、“发现任务”等。

纵观这些空间计划中的遥感探测，使用的传感器多种多样，如立体摄相机、成像雷达、可见光—红外多光谱扫描仪、红外辐射仪、成像光谱仪等，因有效载荷增加和研究需要往往是多种传感器同时成像。探测范围因其针对性强，多数为行星表面系统制图，图像分辨率最高可达20m，探测对象以金星、木星、土星、火星为主。

1989年5月4日，航天飞机将“麦哲伦”空间飞船送入太空，于1990年8月10日进入金星轨道，并于8月16日获取了第—张金星雷达图像。该飞船携带有S波段（12.6m）合成孔径雷达、微波高度计及热红外扫描仪。雷达图像分辨率为8x120m，据雷达图像和高程测量数据，获取了有关金星平原、脊与沟带、山带与火山隆起、冠形体及镶嵌块体的知识，对地貌成因、火山喷发、大地构造机理、星体冲击、地表风化相互作用机制等做了深入研究。

“伽利略号”飞船于1989年10月发射，预计1995年12月到达木星。1990年2月10日，飞船上近红外扫描仪（0.7—5.2μm），发回了金星云层图像，揭示了金星涡流特征。

1990年12月和1992年12月两次飞临地球，红外扫描仪和固体成像仪发回了地、月彩色图像，月表面图像。“伽利略号”的主要目标是考察木星及其卫星。“尤利西斯”宇宙飞船于1990年10月进入太空，1992年2月飞临木星获得推进力支持，预计在1994年6月至n月飞临太阳南极，1995年6月至9月飞临太阳北级，其探测目标是太阳圈。

“火星观察者号”飞船于1992年9月发射，曾计划于1993年9月开始对火星地质、地球物理和气候状况调查，并研究火星表面矿相、地形、重磁特征及尘暴、大气层结构与环流特征，同时支持俄国“火星94计划”，原计划将持续687天（一个圣马丁年），遗憾的是飞船于1993年8月便失控制。

“Cassini”计化将于1997年10月实施，飞船预计2004年6月到达土星，途径金星、木星、地球来获得推进力支持，其目标是通过布置Huygens探测器和成像雷达对土星及卫星表面进行探测。

“发现任务”计划中的“火星环境调查先锋号”将于1996年发射，1997年将漫游器布置在火星表面，漫游器携带有立体摄相机，可获取火星表面图像。

所获取的行星大气及表面图像和数据的增加，对于木星、土星，其它行星以及整个太阳系的遥感探测将进入一个崭新的阶段，而木星和土星将成为研究“热点”.木星圈层结构与地球、月球、火星等完全不同，其外壳以氢气为主，内部则由铁一硅物质组成。这种结构对今天的人们还很难理解，加之1994年7月间慧星对其撞击产生的轰动影响，更增添了这个行星对人们的巨大吸引力。土星雷达观测，将使人们采用类似研究金星那样的途径来研究土星，研究土星外层大气和表面特征，探讨其成因机制。土星遥感探测预计将是人们对太阳系外行星深入认识和了解历史的开始。1

未来前景由于六七十年代对月球、火星等行星的大规模探测， 并进行了系统研究， 有关月球、火星表面知识已积累了许多。目前， 人类着眼于月球资源和能源的开发及利用， 月球、火星的空间移民等超前应用研究，目前已开始了以建立月球前哨点， 月球基地和月球、火星居民区为目的新一轮探测。

截止目前， 针对月球、火星、金星、木星、土星的探测计划都已实施。在今后一段时期， 行星遥感探测方面会在以前基础上， 综合、全面、系统地对这些行星进行探测。。另一方面针对水星、天王星、海王星、冥王星及小星体的探测计划也在准备飞因此行星探测会在深度和广度上展开。由于针对某一行星的全面系统探测的要求， 必须有多种传感器同时获取数据， 单一传感器已不能满足这种要求。

这些年，空间探测巨额资金投入， 不可预测的风险性以及规模程度， 促使各国在空间探测活动中， 既相互密切合作， 又相互激烈竞争。法俄、德俄、日俄已先后签署了太空开发的合作协议。

总而言之， 今后行星遥感探测的趋势是； 更高层次上探测月球、火星； 探测目标范围由系统的类地行星，到类木行星； 新型传感器的使用和多种传感器并用； 广泛的国际合作。1

近十几年来引人注目的火星轨道器探测任务主要有Mars Global Surveyor、MarsOdyssey、Mars Express，着陆巡视器探测任务有勇气号、机遇号和好奇号火星车任务等。这些探测任务获取海量数据中不仅有影像和光谱数据, 还有其它多种类型的辐射探测数据, 对这些数据的处理、分析和研究对人类对火星进一步认识火星具有重要意义。

火星是目前深空探测的主要对象, 轨道探测与着陆巡视探测已经并且继续获得更加丰富的高质量的数据, 为我们开展火星科学研究提供了极为便利的数据条件, 可以说我们正处在火星科学研究的最好时代。同时, 海量的火星遥感数据己经远远超出科学家和研究人员对其处理分析能力,研究和开发自动化和智能化的数据处理方法和工具来支撑火星科学研究变得十分必要和迫切。2