一 引用格式
李建成, 许刚, 胡俊, 等. 月球三维基准确定及其重力场研究进展[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2025, 56(11): 4499-4511.
LI Jiancheng, XU Gang, HU Jun, et al. Advances in lunar three-dimensional reference frame determination and gravity field research[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2025, 56(11): 4499-4511.
二 研究背景
月球是地球唯一的天然卫星，是人类探索宇宙、进行深空探测的前哨站和转运站，是人类社会长期可持续发展的重要支撑。未来我国要进行国际月球科研站的建设和深空探测的宏观布局，月球三维基准及其重力场将作为重要的基础设施提供数据服务。为此，本文首先厘清了月球三维基准的现状，并对高程基准进行了展望；然后，梳理了探月以来的月球重力观测计划及其对应的月球重力场模型产品；最后，介绍了月球重力场在研究月球深部构造、撞击盆地形成机制、火山活动特征及卫星轨道精密确定等方面的应用。
三 文章亮点
（1）针对当前环月探测卫星及登月探测器所依赖的参考框架进行了梳理，对主轴和平轴参考框架的本质特征及定位精度、月球高程控制网的研究现状进行了重点分析，展望了月球的高程基准。
（2）梳理了探月以来的卫星观测计划，针对月球低阶大尺度重力场、正面高阶重力场、含月背信息的重力场、全月球高精度重力场几个阶段的观测数据及其对应的重力场模型和解算方法进行了较为全面的介绍。
（3）评述了月球重力场数据在研究月壳厚度与月核结构、撞击盆地的形成与演化机制、月球火山的时空分布与深部动力学过程、识别月球熔岩管道及探月卫星轨道精密确定方面的关键作用。
四 图文解析
1 月球参考框架与高程基准
月心月固参考框架是建立月球参考框架的关键，该参考框架由月心月固坐标系通过行星历表提供的月球定向参数旋转后生成。目前常用的2种月心月固坐标系是平轴坐标系(也称平均地球坐标系)和主轴坐标系(也称惯量主轴坐标系)。平轴坐标系选取了月球质心到地球质心平均指向，随着观测数据和精度的提升，月球表面构造特征在该参考框架更新前后的位置变化相对较小，因此一般都基于平轴参考框架制作月球表面的地形和高程数据产品。主轴坐标系一般基于特定的重力场模型确定，在主轴参考框架下可方便地推导出探测器上的引力，因此，主轴参考框架主要被用于月球重力场、激光测月资料分析和卫星精密定轨等涉及动力学的研究。主轴与平轴参考框架均能实现米级的月表定位精度，然而，由于月球并非理想的三轴椭球体，2种参考框架对应的坐标轴并不重合，在相同的坐标下，2种参考框架在月球表面的实际位置相差约860 m。
在坐标系和参考框架确定之后，便可进行高程控制网的构建。通常采用摄影测量的方法对多个月球探测任务获取的高分辨率影像进行联合解算，从而构建全月球高程控制网。但当前月球高程的计算是基于几何意义上的参考球面，学界仍在探索确立具备物理意义的月球大地水准面。例如，将特定基准点(如阿波罗11号登陆点实测重力值)对应的等位面作为月球大地水准面，或以与月球地形最佳拟合的等位面作为大地水准面，但均未形成广泛共识，未来仍需建立更为系统、普适的定义方案。
2 月球探测计划及重力场模型
自20世纪60年代起，月球重力场探测以卫星技术为主，随着测轨和测高技术不断更新，观测数据精度不断提升，其研究历程可分为四个阶段。第一阶段主要研究月球低阶大尺度重力场，其数据源自1959年至1972年实施的美国Apollo计划和苏联Luna任务；第二阶段主要研究月球正面高阶重力场，其数据主要源自美国在1994年和1998年分别实施的Clementine和月球勘探者号(lunar prospector, LP)两个月球探测任务，其中LP含主要任务阶段(primary mission, PM，以下简称LP's PM)和扩展任务阶段(extended mission, EM，以下简称LP's EM)；第三阶段主要研究包含月球背面信息的重力场，其数据主要源自2007年日本实施的SELENE任务和中国开展的嫦娥一号(Chang'E-1)任务；第四阶段主要研究全月球高精度重力场，其数据主要源自2011年美国实施的重力恢复与内部实验室(Gravity Recovery and Interior Laboratory, GRAIL)探测任务和2014年中国发射的嫦娥五号T1(Chang'E-5T1)试验飞行器，其中GRAIL含主要任务阶段(primary mission, PM，以下简称GRAIL's PM)和扩展任务阶段(extended mission, EM，以下简称GRAIL's EM)。月球重力场模型信息统计如表1所示。
表1 月球重力场模型信息统计
注： SELENE指的是SELENE任务的多普勒跟踪数据；LP150Q是2005年推出的LP165P的后继版本。
3月球重力场应用的相关研究
基于月球重力场模型提供的重力数据，可估算月壳平均厚度范围、月核半径的范围；可以研究月球表面的撞击盆地附近的重力场特征以探究撞击盆地的形成机制；结合撞击盆地的光谱、地形等多源数据特征可进行撞击盆地的识别；结合遥感数据和地形数据可以评估月球表面火山地区的形态、组成和地层；联合布格重力异常和自由空气重力异常进行互相关分析，可进行月球熔岩管道的识别。此外，月球重力场模型的解算与绕月卫星定轨是紧密耦合、相互支撑的。通过融合多源轨道跟踪等数据并引入精细的摄动力模型(包括高精度重力场先验信息)，可以实现卫星的精密轨道确定，由此获得的高精度轨道又为有效提取卫星所受的引力扰动信号奠定了基础，从而支撑构建分辨率与精度更高的新一代月球重力场模型。
五研究结论
成就：随着观测技术的持续进步，月球三维参考框架的精度逐步提高，月球高程控制网也不断完善，推动了覆盖全月球的高分辨率数字高程模型的建立。在重力场探测方面，月球重力场模型从早期Luna与Apollo时代的低阶次重力场模型，发展至GRAIL任务提供的高阶次重力场模型，空间分辨率已达千米级。
挑战：目前所采用的月球高程是大地高，需确立月球大地水准面，才能转换为正高。受限于现有卫星重力测量精度及月球表面重力观测数据的缺乏，月球重力场模型的精度和可靠性难以进一步提升。
机遇：近年来，深空探测已经成为国家层面的战略需求，世界航天强国正掀起新一轮探月热潮，为月球重力场研究带来新的机遇和挑战。高精度的月球三维基准是探测器定位与导航、登陆月球、建设国际月球科研站、月球制图和地形产品生成等的必要支撑，其中，高程基准的建立依赖于高精度的重力场。同时，高精度月球重力场是揭示月球深部构造、撞击盆地形成机制与火山活动特征的关键，也是实现绕月卫星精密定轨的基石，将为深化月球科学认知和月球资源开发利用提供数据支撑。构建高精度的三维基准和重力场模型将为全面建设月球这一深空探测起点奠定坚实的基础。
六团队介绍
李建成
博士，教授，中国工程院院士，主要从事卫星大地测量学和物理大地测量学研究。
许刚
博士在读，主要从事月球重力场模型构建研究。
胡俊
博士，教授，主要从事卫星大地测量研究。
李贤炮
博士后，主要从事GNSS和卫星重力在水文学中的应用研究。
陈波
博士，副教授，主要从事重力学和地球动力学研究。
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