二十一世纪初期,月基对地观测开始成为月球研究和空间对地观测的一个前沿方向。但是,月基对地观测的平台—人类地球的唯一自然卫星—月球,具有独特的几何特性,与机载和星载平台有很大的差异,这给对地观测的实施带来了全新的机遇与挑战,主要表现在:(1)它具有相对稳定的轨道,并且始终有一面正对着地球;(2)它自身的尺度远大于机载和星载平台,因此需要考虑在月球表面的不同位置所带来的观测特性和能力的差异;(3)它具有独特的天平动,会对其姿态和对地观测带来影响;(4)月基对地观测的相关几何参数会随着日地月的运动而不断发生变化,而这个变化规律不同于星载与机载平台,需要针对性进行分析;(5)地月距离遥远,会产生秒级的光行差,在构建严密成像几何模型时需要考虑它的影响。然而,目前在月基对地观测几何方面的研究还十分匮乏,因此需要建立一套月基对地观测几何研究的科学架构,开展细致深入的分析,加深对其几何特性及变化规律的理解与认知。因此,本文聚焦于月基对地观测的几何特性,具体开展了以下的工作:(1)月基对地观测几何建模基于星历数据和地球姿态参数,建立了全面的顾及月球天平动的月基对地观测相关参考系的转换体系,提出了月基对地观测几何模型,构建了月基对地观测几何研究的基本框架与方法,为实现月基对地观测几何特性的定性与定量分析奠定了基础。此外,设计了星下点的算法并基于月基对地观测模拟系统分析了其在年内、年际尺度的变化规律。(2)月基对地观测覆盖特性分析提出了一个用于评价月基对地观测覆盖能力的指标——有效覆盖度,设计了月基对地观测光学覆盖特性相关参数的算法,分析了观测时长、观测频率与有效覆盖度的变化规律,并比较了月球表面不同位置及角度误差带来的有效覆盖度差异。月基对地观测在局部和整体都表现出了较好的观测能力,对于低纬度地区能够实现高频率观测,对于高纬度地区能够实现长时间连续观测。从对地观测的角度出发,月球正面中心区域更适合作为月球基地。(3)月基对地观测角度特性分析设计了月基对地观测光学角度参数的算法,分析了太阳角与观测角的天顶角、高度角和方位角在单一时刻和长期的变化规律,对于太阳角的表现情况,还与完整的太阳角组合进行了对比分析。总体来说,月基对地观测的观测角度组合丰富,具备对地球表面目标的变角度观测能力。虽然受限于观测时间,但是月基对地观测依然能够较为全面地体现观测目标的太阳角的特点,这对于辐射传输、能量平衡等地球宏观科学现象的研究具有极大的潜力。(4)月基对地观测影像成像几何模型研究建立了考虑光行差影响的月基对地观测的严格几何成像模型,并以此对月基对地观测的影像进行了模拟,再利用嫦娥三号地形地貌相机所拍摄的地球照片进行了比对验证,表明了该模型具有较好的精度,同时对视线向量在月球表面的方向进行了讨论,为后续开展月球观测站面向地球宏观科学现象的定量分析建模与观测模拟打下了坚实的基础。本文针对月基对地观测的星下点、覆盖特性、角度特性、成像几何模型开展了系统的分析与研究,建立了月基对地观测几何研究的系统框架与方法,表明了月基对地观测具有适宜的观测周期、较为稳定且良好覆盖能力的观测特点,并具有丰富的角度信息,而这也为后续面向地球宏观科学现象的月基对地观测研究奠定了扎实的理论与方法基础。