第1章月球大地测量的主要任务及发展历程
本章*先介绍月球大地测量的定义和主要任务，在此基础上阐述月球大地测量在月球探测中的作用，*后结合月球探测任务，给出月球大地测量的发展历程。
1.1月球大地测量的定义与主要任务
与地球类似，月球大地测量的主要任务是精确测定月球形状及其外部重力场，确立月球表面及其邻近空间点位的确切坐标，构建相应的几何（控制网、地形）与物理（重力场）模型及持续监测月球整体的动态变化。迄今为止，由于尚无法在月球表面实施直接的大规模测量工作，月球大地测量数据主要依赖绕月飞行器来获取，手段包括激光测距、卫星测高、轨道跟踪和摄影测量及遥感等。因此，空间大地测量学是月球大地测量的重要基础。
月球大地测量的主要工作包括：①建立统一的月球坐标系统及月面控制网，以精确获取月球表面及近空区域的点位坐标；②确定月球的参考椭球及水准面，对月球的大小、形状及整体或局部的形态特征进行描述；③研究月球重力场的求定方法并建立相应的重力场模型。从研究方法来说，须借助空间大地测量技术，如激光测距、卫星测高、摄影测量及遥感等技术，实现对月面几何信息与月球自身的运动变化（如地月距离和天平动等参数）的精确测定，从而构建月球坐标系和大地控制网；依据大地测量数据及影像处理的基本原理和方法，开展月面地形测绘与制图；借助月球探测器的轨道跟踪数据，通过轨道摄动量的提取，解算月球重力场及相应的大地测量参数。
1.2月球大地测量在月球探测中的作用
通过月球大地测量建立的月球平面和高程基准及控制网，能够为月球探测任务提供准确的位置信息和导航服务，并为今后月球基地的规划、设计和建设，以及月球资源的开发利用提供不可或缺的基础性资料。
通过月球大地测量技术获得的高精度、高分辨率月球重力场模型，可以深入了解月球重力场的分布及变化特征，准确构建月球探测器运行的精确受力模型和运动方程，进而为月球探测器的轨道设计与预报，以及月球着陆器的行为控制提供关键的数据支持。
同时，月球的形貌记录了其演化的历史痕迹，而重力场则反映了月球内部结构和密度分布，通过月球大地测量获取的月球形貌和重力场特征，能够为研究月球内部结构和演化历史提供重要的几何与物理约束，如分析月球经历的撞击历史、计算月球岩石圈的弹性厚度、分析月球壳幔均衡与补偿机制、反演核幔边界状态及刻画月球内部圈层的界面与尺度等。
月球大地测量还具有重要的战略意义。月球蕴藏着丰富的矿产资源，拥有极佳的对
地观测条件和广阔的太空航道，且由于其特殊的地理位置，可以作为连接地球和太空的天然卫星中继站，是俯视地球的战略制高点。因此，开展月球大地测量，精确测定月球相对于地球的运动规律，构建参考框架并精化月球重力场模型，对绕月卫星、导弹以及其他空间探测器的发射、制导、跟踪及返回等关键任务具有至关重要的保障作用。
总之，月球大地测量是进行月球探测的重要基础，是了解和认识月球的结构及演化的重要信息来源，也是深入研究地月系统并走向外太空所必不可少的技术支撑。
1.3月球大地测量的发展历程
月球大地测量的发展与人类对月球的观测过程相生相伴，其实质性发展则与空间科学技术的进步和月球探测任务的实施紧密相关。因此，人类对月球的认知和探测大致可分为三个阶段，即空间技术兴起之前的地月观测阶段、20世纪50年代末至70年代“冷战时期”的美苏空间竞争阶段、90年代至今的重返月球阶段。
1.3.1地月观测阶段
在借助空间飞行器对月球进行探测之前，早期的天文学家在地球上通过日积月累的观测，对月球的形貌轮廓和运行规律进行了初步的了解并予以了各式的描述。古代天文学家依据月球的升降与月相盈亏，对月球的运动周期、几何形态等基本信息有了初步的了解。公元前6世纪，毕达哥拉斯（Pythagoras）就发现月球是一个自身并不发光，而是反射太阳光的球体，月相是由在地球上能看到的被照亮的月球半球所决定的（Needham，1986）。大约公元前5世纪，古巴比伦天文学家已经观测到了月食的周期约为18年，这也就是月球的岁差（precession）周期（Aaboe et al.，1991）。在同一时期，古希腊科学家阿那克萨戈拉（Anaxagoras）认为，月球和太阳都是岩石构成的星球，并且月球反射了太阳的光（Curd，2007）。公元前4世纪，我国天文学家石申依据月相周期，建立了一套预测日食和月食的公式（Needham，1986）。公元前2世纪，古希腊科学家塞琉古（Seleucia）发现了潮汐周期和月相之间的紧密联系，并提出了月球是引发地球潮汐的主要因素的观点（van der Waerden，1987）。在同一时期，古希腊另一位科学家阿利斯塔克斯（Aristarkhos）计算出月球大小和与地球的距离，认为地月距离约为地球半径的20倍（Evans，1998）。欧洲古代学者托勒密（Ptolemaeus）进一步更正了这一数值，得出地月的平均距离约为地球半径的58倍，而月球的直径约为地球平均直径的0.29，这与现今所计算得出的60倍和0.273非常接近（Evans，1998）。
波斯天文学家哈巴什 哈西卜 马尔瓦齐（HabashAL-HasibAL-Marwazi）于825～835年在巴格达的沙米西耶（Al-Shammisiyyah）天文台进行了天文观测，估计出月球的直径为3037km（半径为1519km），与地球的距离为346345km（Langermann，1985）。阿尔哈岑（Alhazen）在11世纪对月光进行了实验和观测研究，认为月光是由“月球自身光”和月球吸收和反射太阳光组成的（Al-Haytham and Al-Hasan，2008）。
1609年，望远镜的发明为天文学研究开辟了新的领域，意大利科学家伽利略（Galileo）使用望远镜观测了月球。伽利略在《星际信使》书稿中详细记录了对月球观测的结果，月球表面存在一系列环形地貌，即现今所称的“环形山”，并基于当时的科学知识，提出这些环形山可能是由月球上火山活动所形成的假设。
实际上，与伽利略同时代的英国人哈里奥特（Harriot）是*次使用望远镜观察月球的人（先于伽利略4个多月）。起初，哈里奥特对月球的观测只包含粗略的草图，直到伽利略成功吸引公众的目光之后才发表自己的成果。1610年，他利用望远镜观察到的信息制作了一幅月表地图，描绘了月球上主要的“海洋”、环形山、山脉，甚至还有直到今天人们才能通过望远镜识别的月面明亮辐射纹结构。
荷兰天文学家范 朗格伦（van Langren）是**位精细测量月球并制作出较为实用的月球地图并命名了大量地形特征的学者。通过观察整个月相周期（不仅月食期间）内月球地形特征的出现和消失，将不同地区的时间差异和经度相互关联，提高了位置估计的准确度。朗格伦在其绘制的地图《满月——敬尊奥地利的菲利普之名》（Plenilunii lumina Austriaca Philippica）之中，对325个月球地形特征进行了命名。
17世纪，当人们通过望远镜观察月球时就发现，它的地形表面特征总是清晰可见，这说明月球没有大气层。英国天文学家霍罗克斯（Horrocks）在1637年对“月掩昴星团”
（月球从位于金牛座的疏散星团前面穿过）这一天象进行了观测，发现随着月球陆续遮掩住一个个恒星，每颗恒星的光都是瞬间消失，而不是逐渐地变暗再消失。恒星被遮住时没有亮度渐变，说明恒星的光没有穿过一个可察觉的大气层，也就是说，月球没有明显的大气层。
此后，波兰天文学家赫维留斯（Hevelius）于1642～1645年对月球的表面地形进行了观测，在1647年发表了观测结果《月面图》（Selenographia），其中包含三幅完整的月球地图及40种不同月相的月球版画，赫维留斯因此也被称为“月球地形研究的创始人”。德国天文学家施罗特（Schr.ter）致力于观测月球大气或表面真实发生的变化，使用12～
48.9cm不同口径的望远镜详细绘制了一些特定的地形特征图；1791年，他发表了自己的重要著作《月球表面特定区域的精细地形图》的**卷，1802年又发表了后续一（Whitaker，2003）。
**幅真正意义的现代月面图是由德国专业测量员和制图师罗尔曼（Lohrmann）所绘制的，使用一架12cm口径的折射镜进行观测，制作了一幅直径约为96cm的月球地图。此后，比尔（Beer）和马德勒（M.dler）在1837年发表了《月球》（DerMond），包括了使用9.5cm折射镜创作的直径96cm的四等分月面地图（Ashbrook，1984）。
20世纪以来，随着摄影技术的发展，探索月球的科学形式和方向也开始发生转变。早期摄影灵敏度不足，无法捕捉暗弱或者移动的天体。1839年，德雷伯（Draper）拍摄并处理得到了**幅清晰的月球照片。1858～1862年，德拉鲁（de la Rue）用反射望远镜拍摄了月球的立体影像。**部系统性的高分辨率月球摄影地图集诞生于20世纪50年代，由行星科学家柯伊伯（Kuiper）制作完成。他在1960年发表了《月球摄影地图集》（Lunar Atlas）。这部地图集成为太空时代来临之前的标准地图，直到数字成像技术问世之前都无可匹敌，至今仍有重要的参考价值。
1.3.2美苏空间竞争阶段
20世纪50年代末，随着空间技术的不断发展，美国与苏联在太空领域展开激烈竞争，两国相继开展了一系列月球探测计划。据统计，在1958～1976年的这段时间内，两国共发射了超过一百颗各类月球航天探测器。
苏联开展了两个重要的探月项目：Zond系列任务和Luna系列任务。其中，Zond-3号探测器于1965年成功传回了历史上**张月球背面的影像（图1.1）。随后，Zond-6号探测器于1968年获取了月球正面和背面的全景影像，月球正面全景影像如图1.2所示。
1970年，Zond-8号探测器则对地月进行了黑白和彩色摄影（图1.3）。Luna项目始于1959年，并持续至1976年Luna-24号的发射，前后历时近20年。在这个过程中，Luna系列探测器也成功获取了大量的月球影像数据。值得一提的是，Luna-10的轨道跟踪数据还被用于解算月球重力场（Akim，1966）。
图1.1苏联探测器Zond-3号拍摄的月球背面影像轨道高度约为10000km
图1.2苏联探测器Zond-6号拍摄的月球正面全景影像
图1.3苏联探测器Zond-8号拍摄的“地出”影像“地出”（earthset）与“日出”（sunset）对应，代表地球从月球地平线升起的过程与此同时，美国在这一阶段成功实施了三大月球探测计划，即Ranger系列探测计划、Surveyor系列探测计划与Orbiter系列探测计划。这些无人探测计划获取了丰富的月球影像数据。值得注意的是，自Orbiter探测任务起，轨道跟踪数据开始被应用于月球重力场的解析。正是在这一时期，科学家发现了月球上可能存在的“质量瘤”（mascon）结构。根据Orbiter1～5号飞行器及阿波罗（Apollo）子卫星所收集的跟踪数据，科学家解算得到了月球重力场模型（图1.4），其*高阶数达到了16阶（Bills and Ferrari，1980）。
图1.4早期月球重力场模型揭示的质量瘤引自Bills和Ferrari（1980）
1969～1972年，Apollo计划成功实施了6次登月任务，积累了丰富的月球数据，涵盖影像、月震、激光测距及重力场测量等多个方面。在Apollo11号、Apollo12号与Apollo14号任务中，宇航员通过携带的脉冲积分摆式加速度计（pulsed integrating pendulous accelerometer，PIPA）在登陆舱内测量了月球表面重力值（Nance
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