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Evaluation of topography, slopes, illumination and surface roughness of landing sites near the lunar south pole using laser altimetry from the lunar reconnaissance orbiter
Gläser, Philipp Andreas
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.
This work deals with the evaluation of current scientific data collected by National Aeronautics and Space Administration (NASA)’s Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) mission. Since June 2009 LRO has been continuously surveying the lunar surface with high precision. The main focus is placed on data retrieved by the LRO Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA) but also images acquired by the LRO Lunar Reconnaissance Orbiter Camera (LROC), more specifically the Narrow Angle Camera (NAC), will be discussed briefly. Digital Terrain Models (DTMs) derived from laser data typically show artifacts, which in addition to common outliers, are clearly induced by positional inaccuracies between tracks. These artifacts, especially in high resolution DTMs, become a prominent feature. A co-registration algorithm is introduced, which was developed in the course of this work and corrects the relative position between single laser tracks. For this purpose a NAC DTM is co-registered with all intersecting LOLA tracks allowing for a precise adjustment of each individual laser track position. A standard deviation of ~20 cm in height residuals between LOLA and NAC profiles can be attained with this co-registration technique. Secondary data products such as slope and roughness maps are created on the basis of the resulting, adjusted LOLA DTM. Two independent methods for roughness calculations based on laser data are introduced, one method is based on standard deviation values of plane fits and the other method is based on the analysis of the laser pulse width. While the former method delivers reliable results on a local and global scale, the latter shows reasonable results on a global scale but needs to be carefully analyzed on a local, high-resolution scale. Various effects on the laser pulse measurement such as noise and thermal influence are addressed in this work but are not further investigated. A detailed description of illumination conditions at the lunar south pole is given, in particular of three possible landing sites. Two of these sites are located on the rim of Shackleton Crater and the third lies on a ridge connecting the de Gerlache and Shackleton craters, referred to as the Connecting Ridge. Illumination conditions at surface level, 2 m and 10 m above ground were simulated for a 1-year and a 19-year period. The 19-year time period was chosen to cover the lunar precessional cycle of 18.6 years and the 1-year period was chosen in accordance with previous studies. Connecting Ridge was found to be an ideal site concerning long illumination periods. For example, total illumination of up to 95.66% during the considered 19-year period is found 10 m above ground. This particular landing site has up to 262.42 continuous days of sunlight with a maximum of only 3.17 days of continuous darkness, making it an attractive location for future landing devices relying on solar power. Visibility of Earth from each considered landing site to ten European Space Agency (ESA) tracking stations was simulated, proving that even landing sites on the farside of the Moon only have to overcome short periods (about 2 weeks) in radio dead zones.
