地球等离子体层的分布主要受到地球磁层的特性影响。早期对地球磁层的研究,主要是通过采集地磁平静期的观测数据,建立半经验模型和经验模型来研究。随着成像技术的发展,可以通过遥感成像的方式,在全球尺度下获得磁扰期、平静期等不同时刻的地球等离子层分布信息,从而更直观、全面地了解磁层磁场的变化。本文研究了现有的地球等离子体层模型,详细阐述了不同地球等离子层模型的描述形式、应用特性,以及地球等离子体层遥感成像观测的方法和手段。最后,通过计算机模拟了在经验地球等离子层模型输入情况下,极轨道卫星对地球等离子体层分布的成像结果。

针对嫦娥三号极紫外相机影像由于缺少控制点约束而无法沿用地球遥感影像几何定位方法的现状, 研究了极紫外相机的工作原理、涉及的坐标系统及其转换关系, 提出了一种基于星上遥测参数和严格坐标转换关系的几何定位方法, 进行了影像数据几何定位及定位精度分析.研究结果表明, 该方法能够解算影像拍摄时刻极紫外相机光轴在太阳磁层坐标系中的指向, 以及着陆器在该坐标系中的位置, 精确定位影像中地球质心的位置, 校正相机光轴指向在原始影像中对应的位置, 确保极紫外相机探测数据的科学应用价值, 实现嫦娥三号空间环境探测的科学目标.

依据地球等离子体层在30.4 nm的辐射特性，首次以月球为观测点进行地球等离子体层极紫外波段成像观测方法研究。确定了在月球表面使用的极紫外成像仪的技术参数，给出了视场角为15°、角分辨率为0.1°、入瞳面积>70 cm2的极紫外成像仪的结构形式，采用单球面多层膜反射镜与球面微通道板光子计数成像探测器相结合的方式设计了极紫外成像仪。对设计的极紫外多层膜光学系统成像仪进行光线追迹，弥散斑半径分别为0.210 mm (0°视场)、0.204 mm (3°视场)、0.204 mm (5°视场)、0.207 mm (7.5°视场)，对应的角分辨率为0.08°，弥散斑在不同视场角度基本均匀，其结果满足设计要求。该仪器可在月球表面工作，获得视场范围为15.0 RE，覆盖地球等离子体层主要区域，空间分辨率为0.10 RE，可以很好地观测到地球等离子体层主要细节，为从外部进行地球等离子体层观测提供了一种高质量的成像观测方法。