Summary of the Results from the Lunar Orbiter Laser Altimeter after Seven Years in Lunar Orbit

In June 2009 the Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) spacecraft was launched to the Moon. The payload consists of 7 science instruments selected to characterize sites for future robotic and human missions. Among them, the Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA) was designed to obtain altimetry, surface roughness, and reflectance measurements. The primary phase of lunar exploration lasted one year, following a 3-month commissioning phase. On completion of its exploration objectives, the LRO mission transitioned to a science mission. After 7 years in lunar orbit, the LOLA instrument continues to map the lunar surface. The LOLA dataset is one of the foundational datasets acquired by the various LRO instruments. LOLA provided a high-accuracy global geodetic reference frame to which past, present and future lunar observations can be referenced. It also obtained high-resolution and accurate global topography that were used to determine regions in permanent shadow at the lunar poles. LOLA further contributed to the study of polar volatiles through its unique measurement of surface brightness at zero phase, which revealed anomalies in several polar craters that may indicate the presence of water ice. In this paper, we describe the many LOLA accomplishments to date and its contribution to lunar and planetary science

Elevation and Deformation Extraction from TomoSAR

3D SAR tomography (TomoSAR) and 4D SAR differential tomography (Diff-TomoSAR) exploit multi-baseline SAR data stacks to provide an essential innovation of SAR Interferometry for many applications, sensing complex scenes with multiple scatterers mapped into the same SAR pixel cell. However, these are still influenced by DEM uncertainty, temporal decorrelation, orbital, tropospheric and ionospheric phase distortion and height blurring. In this thesis, these techniques are explored. As part of this exploration, the systematic procedures for DEM generation, DEM quality assessment, DEM quality improvement and DEM applications are first studied. Besides, this thesis focuses on the whole cycle of systematic methods for 3D & 4D TomoSAR imaging for height and deformation retrieval, from the problem formation phase, through the development of methods to testing on real SAR data. After DEM generation introduction from spaceborne bistatic InSAR (TanDEM-X) and airborne photogrammetry (Bluesky), a new DEM co-registration method with line feature validation (river network line, ridgeline, valley line, crater boundary feature and so on) is developed and demonstrated to assist the study of a wide area DEM data quality. This DEM co-registration method aligns two DEMs irrespective of the linear distortion model, which improves the quality of DEM vertical comparison accuracy significantly and is suitable and helpful for DEM quality assessment. A systematic TomoSAR algorithm and method have been established, tested, analysed and demonstrated for various applications (urban buildings, bridges, dams) to achieve better 3D & 4D tomographic SAR imaging results. These include applying Cosmo-Skymed X band single-polarisation data over the Zipingpu dam, Dujiangyan, Sichuan, China, to map topography; and using ALOS L band data in the San Francisco Bay region to map urban building and bridge. A new ionospheric correction method based on the tile method employing IGS TEC data, a split-spectrum and an ionospheric model via least squares are developed to correct ionospheric distortion to improve the accuracy of 3D & 4D tomographic SAR imaging. Meanwhile, a pixel by pixel orbit baseline estimation method is developed to address the research gaps of baseline estimation for 3D & 4D spaceborne SAR tomography imaging. Moreover, a SAR tomography imaging algorithm and a differential tomography four-dimensional SAR imaging algorithm based on compressive sensing, SAR interferometry phase (InSAR) calibration reference to DEM with DEM error correction, a new phase error calibration and compensation algorithm, based on PS, SVD, PGA, weighted least squares and minimum entropy, are developed to obtain accurate 3D & 4D tomographic SAR imaging results. The new baseline estimation method and consequent TomoSAR processing results showed that an accurate baseline estimation is essential to build up the TomoSAR model. After baseline estimation, phase calibration experiments (via FFT and Capon method) indicate that a phase calibration step is indispensable for TomoSAR imaging, which eventually influences the inversion results. A super-resolution reconstruction CS based study demonstrates X band data with the CS method does not fit for forest reconstruction but works for reconstruction of large civil engineering structures such as dams and urban buildings. Meanwhile, the L band data with FFT, Capon and the CS method are shown to work for the reconstruction of large manmade structures (such as bridges) and urban buildings

Forty-first Lunar and Planetary Science Conference

Special sessions were: A New Moon: Lunar Reconnaissance Orbiter Results ; Water in the Solar System: Incorporation into Primitive Bodies and Evolution ; A New Moon: LCROSS, Chandrayaan, and Chang-E-1 ; Water in the Solar System: Moon ; A New Moon: Spectral Constraints on Lunar Crustal Composition ; Characterizing Near-Earth Objects ; A New Moon: Lunar Volcanism and Impact. This CD-ROM contains the contents, program, abstracts, and author indexes for the 41st Lunar and Planetary Science Conference.by Lunar and Planetary Institute, NASA Johnson Space Centerconference co-chairs, Stephen Mackwell, Lunar and Planetary Institute [and] Eileen Stansbery, NASA Johnson Space Center.PARTIAL CONTENTS: Roughness and Radar Polarimetry of Lunar Polar Craters: Testing for Ice Deposits / B.J. Thomson, P.D. Spudis, D.B.J. Bussey, L. Carter, R.L. Kirk, C. Neish, G. Patterson, R.K. Raney, H. Winters, and the Mini-RF Team--Formation of Jupiter's Atmosphere from a Supernova-Contaminated Molecular Cloud / H.B. Throop--Ancient Lunar Dynamo: Absence of Evidence is Not the Evidence of Absence / S.M. Tikoo, B.P. Weiss, J. Buz, I. Garrick-Bethell, T.L. Grove, and J. Gattaccaea--Dark Dunes in Ka'u Desert (Hawaii) as Terrestrial Analogs to Dark Dunes on Mars / D. Tirsch, R.A. Craddock, and R. Jaumann--Mars Ice Condensation and Density Orbiter / T.N. Titus, T. Prettyman, A. Brown, T.I. Michaels, and A. Colaprete--The Atacama Desert Cave Shredder: A Case for Conduction Thermodynamics / T.N. Titus, J.J. Wynne, D. Ruby, and N. Cabrol

UNDERSTANDING LUNAR VOLCANIC PROCESSES AND MARE SURFACE AGE-DATING VIA REMOTE SENSING

Ph.D

Percepción basada en visión estereoscópica, planificación de trayectorias y estrategias de navegación para exploración robótica autónoma

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Ingeniería del Software e Inteligencia artificial, leída el 13-05-2015En esta tesis se trata el desarrollo de una estrategia de navegación autónoma basada en visión artificial para exploración robótica autónoma de superficies planetarias. Se han desarrollado una serie de subsistemas, módulos y software específicos para la investigación desarrollada en este trabajo, ya que la mayoría de las herramientas existentes para este dominio son propiedad de agencias espaciales nacionales, no accesibles a la comunidad científica. Se ha diseñado una arquitectura software modular multi-capa con varios niveles jerárquicos para albergar el conjunto de algoritmos que implementan la estrategia de navegación autónoma y garantizar la portabilidad del software, su reutilización e independencia del hardware. Se incluye también el diseño de un entorno de trabajo destinado a dar soporte al desarrollo de las estrategias de navegación. Éste se basa parcialmente en herramientas de código abierto al alcance de cualquier investigador o institución, con las necesarias adaptaciones y extensiones, e incluye capacidades de simulación 3D, modelos de vehículos robóticos, sensores, y entornos operacionales, emulando superficies planetarias como Marte, para el análisis y validación a nivel funcional de las estrategias de navegación desarrolladas. Este entorno también ofrece capacidades de depuración y monitorización.La presente tesis se compone de dos partes principales. En la primera se aborda el diseño y desarrollo de las capacidades de autonomía de alto nivel de un rover, centrándose en la navegación autónoma, con el soporte de las capacidades de simulación y monitorización del entorno de trabajo previo. Se han llevado a cabo un conjunto de experimentos de campo, con un robot y hardware real, detallándose resultados, tiempo de procesamiento de algoritmos, así como el comportamiento y rendimiento del sistema en general. Como resultado, se ha identificado al sistema de percepción como un componente crucial dentro de la estrategia de navegación y, por tanto, el foco principal de potenciales optimizaciones y mejoras del sistema. Como consecuencia, en la segunda parte de este trabajo, se afronta el problema de la correspondencia en imágenes estéreo y reconstrucción 3D de entornos naturales no estructurados. Se han analizado una serie de algoritmos de correspondencia, procesos de imagen y filtros. Generalmente se asume que las intensidades de puntos correspondientes en imágenes del mismo par estéreo es la misma. Sin embargo, se ha comprobado que esta suposición es a menudo falsa, a pesar de que ambas se adquieren con un sistema de visión compuesto de dos cámaras idénticas. En consecuencia, se propone un sistema experto para la corrección automática de intensidades en pares de imágenes estéreo y reconstrucción 3D del entorno basado en procesos de imagen no aplicados hasta ahora en el campo de la visión estéreo. Éstos son el filtrado homomórfico y la correspondencia de histogramas, que han sido diseñados para corregir intensidades coordinadamente, ajustando una imagen en función de la otra. Los resultados se han podido optimizar adicionalmente gracias al diseño de un proceso de agrupación basado en el principio de continuidad espacial para eliminar falsos positivos y correspondencias erróneas. Se han estudiado los efectos de la aplicación de dichos filtros, en etapas previas y posteriores al proceso de correspondencia, con eficiencia verificada favorablemente. Su aplicación ha permitido la obtención de un mayor número de correspondencias válidas en comparación con los resultados obtenidos sin la aplicación de los mismos, consiguiendo mejoras significativas en los mapas de disparidad y, por lo tanto, en los procesos globales de percepción y reconstrucción 3D.Depto. de Ingeniería de Software e Inteligencia Artificial (ISIA)Fac. de InformáticaTRUEunpu

Multipoint observations of ICMEs in the inner heliosphere: Forbush decreases and remote sensing

Coronal Mass Ejections (CMEs) are clouds of plasma and magnetic field regularly ejected from the Sun at high speeds that propagate out into interplanetary space. These events are one of the most important space weather phenomena. Their strong and turbulent magnetic field can cause disruptions of spacecraft electronics as well as terrestrial infrastructure, and they can be associated with the acceleration of energetic particles, which may cause increased radiation exposure, e.g. for astronauts. To be able to validate and consequently improve theoretical models predicting the arrival of interplanetary CMEs (ICMEs) at Earth and other locations in the heliosphere, it is important to employ many different data sources measuring the various signatures of ICMEs at different locations, so that their temporal and radial evolution can be studied. These investigations are also significantly aided by observations from remote sensing telescopes, which can directly observe the global structure of the ICMEs and track them out to large radial distances. The studies presented in this thesis introduce Mars into the framework of routinely available locations for the in situ observation of space weather. Here, ICMEs can be detected using Forbush decrease measurements by the Radiation Assessment Detector onboard the Mars Science Laboratory rover Curiosity. Forbush decreases are short-term decreases in the galactic cosmic ray flux caused by the magnetic structure of the ICME partly shielding away the cosmic rays. The measurements of these Forbush decreases are utilized in this thesis to determine ICME arrival times for statistical studies of events seen at two planets, Earth and Mars, or at one of the two STEREO spacecraft and Mars, during close longitudinal alignment. The measurements show for the first time that fast ICMEs can continue to decelerate beyond the orbit of Earth due to their interaction with the slower ambient solar wind. Using remote sensing observations from the STEREO heliospheric imagers, we study additional ICMEs that hit Mars and benchmark the accuracy of different approaches for the analysis of these heliospheric imager data. Subsequently, the Forbush decrease data for the thereby cataloged events are further investigated to infer not only the arrival time, but also more information about the radial evolution of the ICME properties by comparison with analytical modeling approaches. Finally, two case studies are performed: First, the major space weather events of September 2017 and their impact on Mars are examined, including the investigation of the solar energetic particle events and three associated CMEs that interacted and merged on their way towards Mars. Second, the first in situ observations of an ICME at the Solar Orbiter spacecraft, which launched in February 2020, are presented. In this study, we describe the capabilities of the Solar Orbiter's High Energy Telescope for high-resolution observations of Forbush decreases and use its measurements in combination with a reverse modeling approach to show that the expansion of the ICME was non-uniform, possibly due to interaction with a following solar wind stream interaction region.Koronale Massenauswürfe (coronal mass ejections, CMEs) sind magnetisierte Plasmawolken, die die Sonne regelmäßig mit hoher Geschwindigkeit ausstößt und die sich anschließend im interplanetaren Raum ausbreiten. Sie gehören zu den wichtigsten Phänomenen des sogenannten Weltraumwetters. Ihr starkes und turbulentes Magnetfeld kann für Störungen bei Satellitenelektronik sorgen oder sogar Infrastruktur auf der Erde beschädigen. Zusätzlich stehen CMEs häufig auch im Zusammenhang mit der Beschleunigung von hochenergetischen Teilchen, die beispielsweise bei Astronauten für eine erhöhte Strahlendosis sorgen können. Um theoretische Modelle, die die Ankunftszeit von interplanetaren CMEs (ICMEs) an der Erde oder anderen Orten im Sonnensystem vorhersagen, besser überprüfen und daraufhin auch verbessern zu können, ist es wichtig, Daten von möglichst vielen Messinstrumenten einzubeziehen. So können unterschiedliche Merkmale von ICMEs an mehreren Orten im Sonnensystem gemessen und damit deren zeitliche und radiale Entwicklung untersucht werden. Ebenso hilfreich für diese Untersuchungen sind bildgebende Teleskope, die die globale Struktur der ICMEs direkt beobachten und sie weit hinaus in den interplanetaren Raum verfolgen können. Die in dieser Dissertation vorgestellten Forschungsarbeiten führen den Mars als weiteren durchgehend verfügbaren Beobachtungspunkt im Rahmen der In-situ-Beobachtung des Weltraumwetters ein. Hier können ICMEs mithilfe von sogenannten Forbush decreases detektiert werden, die in den Messungen des Radiation Assessment Detector (RAD) an Bord des Rovers Curiosity (Mars Science Laboratory) erscheinen. Hierbei handelt es sich um kurzzeitige Abschwächungen der galaktischen kosmischen Strahlung, die die magnetische Struktur der ICMEs durch Abschirmung hervorruft. Die Messungen solcher Forbush decreases werden hier verwendet, um die Ankunftszeiten von ICMEs, die nacheinander Erde und Mars treffen, oder alternativ zuerst eine der STEREO-Sonden und dann den Mars, statistisch zu untersuchen. Die Messungen zeigen zum ersten Mal, dass schnelle ICMEs auch über die Erdbahn hinaus durch die Wechselwirkung mit dem umgebenden langsameren Sonnenwind weiter abgebremst werden. Mithilfe der bildgebenden Teleskope auf STEREO, den sogenannten Heliospheric Imagers, untersuchen wir weitere ICMEs die den Mars getroffen haben und überprüfen damit die Genauigkeit verschiedener Methoden für die Analyse dieser Bilddaten. Anschließend werden die Forbush-decrease-Messungen für die so katalogisierten ICMEs noch genauer untersucht, um neben der Ankunftszeit durch den Vergleich mit analytischen Modellen noch weitere Informationen über die radiale Entwicklung der ICMEs zu gewinnen. Daraufhin werden noch zwei Fallstudien vorgestellt: Zunächst werden die starken Weltraumwetter-Ereignisse im September 2017 und ihre Auswirkungen auf dem Mars vorgestellt -- hier werden neben den solaren Teilchenereignissen auch drei dazugehörige CMEs untersucht, die zusammentreffen und sich auf dem Weg zum Mars vereinigen. Zuletzt werden die ersten Messungen eines ICMEs mit der Raumsonde Solar Orbiter vorgestellt, die im Februar 2020 gestartet ist. In dieser Studie zeigen wir, wie mit dem High Energy Telescope an Bord von Solar Orbiter Forbush decreases mit hoher Auflösung gemessen werden können, und rekonstruieren die Daten des beobachteten Forbush decrease mit einem theoretischen Modell. Die Ergebnisse zeigen, dass der ICME ein ungleichmäßiges Expansionsverhalten zeigt, möglicherweise durch den Einfluss einer nachfolgenden Sonnenwind-Wechselwirkungsregion (stream interaction region)

Localization of Rovers on the Lunar Surface using the Monopulse Technique

The interest in the Moon has significantly increased in the recent years due to the fact that the International Space Station will retire in the near future and because of the increased space activity of private companies. However,one major challenge of currently planned Lunar missions is the provision of cheap and reliable energy, restricting most missions to short durations and reducing mobility. In order to overcome this problem, the LunarSpark company envisions launch-ing a space-based power plant to orbit the Moon. This system can pro-vide energy via laser to customers on the Lunar surface and thus eliminates the problem of cheap and reliable energy. Further, the system shall au-tonomously detect the coarse relative position between the satellite and the customer. This is needed in order to trigger a laser-based localization of the exact customer position, as it is already commonly performed in laser-based communication systems. LunarSpark decided to deploy a Radio-Frequency (RF) beacon on the cus-tomer system. This beacon is used to retrieve a coarsely estimated customer position via microwaves and is investigated in this thesis. The monopulse technique is used for this purpose because unlike a radar measuring Doppler and distances, which is sensitive to topography and spatial position uncer-tainties when converting to the relative angular position, the monopulse technique allows to directly measure the angular direction. Thus, this work analyzes the requirements that such an RF beacon needs to fulfill for the monopulse technique, as well as how its operation fits into the overall opera-tional timeline of the LunarSpark system. In addition, it also establishes the design parameters of this beacon. The work is supported with theoretical and simulated performance analyses to derive the final design parameters

Proceedings Of The 18th Annual Meeting Of The Asia Oceania Geosciences Society (Aogs 2021)

The 18th Annual Meeting of the Asia Oceania Geosciences Society (AOGS 2021) was held from 1st to 6th August 2021. This proceedings volume includes selected extended abstracts from a challenging array of presentations at this conference. The AOGS Annual Meeting is a leading venue for professional interaction among researchers and practitioners, covering diverse disciplines of geosciences

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

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