Evaluation of topography, slopes, illumination and surface roughness of landing sites near the lunar south pole using laser altimetry from the lunar reconnaissance orbiter

摘要

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Auswertung aktueller, wissenschaftlicher Messungen des Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), einer Mondsonde der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Seit Juni 2009 vermisst LRO die Mondoberfläche kontinuierlich und in höchster Präzision. Diese Messungen, speziell die des LRO Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA), sind in dieser Arbeit detailliert untersucht und ausgewertet worden, aber auch Bilddaten der LRO Lunar Reconnaissance Orbiter Camera (LROC), genauer der Narrow Angle Camera (NAC), wurden in die Auswertung mit einbezogen. Digitale Geländemodelle, die aus Laserdaten gerechnet wurden, weisen typischerweise Artefakte auf, die neben Ausreißern eindeutig auf Lageungenauigkeiten zwischen Laserspuren zurückzuführen sind. Dominant sind diese Artefakte insbesondere bei hoch aufgelösten Geländemodellen. Zur Beseitigung von relativen Lageungenauigkeiten zwischen einzelnen Laserspuren ist in dieser Arbeit ein Algortihmus zur Co-Registrierung entwickelt worden. Dazu wird ein NAC Geländemodell mit allen LOLA Laserspuren, die das Gebiet kreuzen co-registriert, was zu individuellen Translationsparametern für jede einzelne Laserspur führt. Standardabweichungen der Höhenresiduen zwischen NAC und LOLA nach der Co-Registrierung von bis ~20 cm werden dabei erreicht. Auf Grundlage des resultierenden, ausgeglichenen Geländemodells werden sekundäre Datenprodukte wie Hangneigungs- und Rauhigkeitskarten erstellt. Zwei unterschiedliche Methoden zur Ableitung von Rauhigkeitskarten aus Laserdaten werden vorgestellt, wobei eine Methode sich auf Standardabweichungen von Regressionsebenen und die andere sich auf die Analyse von Laserpulsbreiten stützt. Während die erste Methode zuverlässige Werte auf globaler sowie lokaler Ebene liefert, zeigt letztere Methode verwertbare Ergebnisse auf globaler Ebene wobei die Ergebnisse auf lokalen, hoch aufgelösten Gebieten sorgfältiger analysiert werden müssen. Das ist auf zahlreiche Faktoren, wie Rauschen und thermaler Einfluss, zurückzuführen, die in dieser Arbeit angesprochen werden, jedoch nicht abschließend behandelt werden konnten. Eine detaillierte Beschreibung der Beleuchtungsverhältnisse des lunaren Südpols mit besonderer Betrachtung dreier potentieller Landeplätze, wird vorgestellt. Zwei dieser Landeplätze befinden sich auf dem Rand des Shackleton-Kraters und eine weitere auf einer Hügelkette, die den de Gerlache-Krater und den Shackleton-Krater verbindet, im weiteren Connecting Ridge genannt. Beleuchtungsverhältnisse wurden auf Bodenniveau aber auch 2 m und 10 m über der Mondoberfläche gerechnet und werden über einen Zeitraum von 1 Jahr sowie 19 Jahre untersucht. Der Zeitraum von 19 Jahren wurde untersucht, um den lunaren Präzessionszyklus von 18.6 Jahren abzudecken. Die Berechnungen über einen Zeitraum von 1 Jahr wurden angestellt, um mit Ergebnissen von vorherigen Veröffentlichungen verglichen werden zu können. Im Hinblick auf lange Beleuchtungsphasen, z.B. 10 m über der Mondoberfläche, stellt sich Connecting Ridge mit einer totalen Beleuchtung von bis zu 95.66% über einen Zeitraum von 19 Jahren als idealer Landeplatz heraus. Kontinuierliche Beleuchtungsperioden von bis zu 262.42 Tage, bei einer maximalen Dunkelperiode von nur 3.17 Tage, machen diesen Landeplatz für Lander- oder Rovermissionen mit Solarpanelen äußerst attraktiv. Auch die Sichtbarkeit von den Landeplätzen zu zehn European Space Agency (ESA) Radiostationen auf der Erde werden untersucht, wodurch gezeigt werden konnte, dass selbst für Landeplätze auf der Rückseite des Mondes nur relativ kurze Perioden (ca. 2 Wochen) in Funklöchern überbrückt werden müssen.