嫦娥三号四号五号着陆器定位

2021/07/13 |编辑|

1. 嫦娥三号着陆器定位

1.1 基于降落相机序列图像的着陆器定位

     嫦娥三号着陆器的无线电测控精度较低,不足以在卫星影像底图上准确地确定着陆器位置,无法满足着陆区任务规划的需求。实际任务中,嫦娥三号着陆器携带了视场角为45.4°、像幅为1024×1024像素的降落相机。降落过程中获取了4672幅降落序列影像。本研究中开发了基于降落序列影像与嫦娥二号卫星影像连续匹配的着陆器定位方法。方法中,首先通过匹配确定降落序列影像间几何变换关系,将高分辨率降落图像上的着陆位置传递至低分辨率的降落图像上;然后,通过低分辨率的降落图像同卫星影像DOM数据间的撞击坑匹配,将着陆器位置传递至在卫星影像上,获取初始定位结果;最后,在着陆区附近选择一定数量特征点,直接建立高分辨率降落影像同卫星影像DOM间的关系实现着陆点精确定位。

     采用该方法,在嫦娥三号着陆后1小时内即实现了着陆器在降落图像和嫦娥二号高分辨率卫星影像上的定位,有力地支持了后续探测任务规划。事后,通过对比LRO影像上着陆器的真实位置,验证了该定位方法的定位精度优于卫星影像一个像素。

嫦娥二号影像生成的嫦娥三号着陆区DOM


降落相机序列图像间的匹配


卫星图像和降落图像中的撞击坑提取与匹配


着陆器在嫦娥二号DOM上的高精度定位结果


着陆器在LRO影像上的定位与对比(红色点为定位出的位置,白色点为LRO中拍摄到的着陆器位置)

 

1.2 基于月球车影像逐级匹配的着陆器定位

     嫦娥三号月球车与着陆器分离前,在着陆器顶部环拍了部分影像,首先将环拍的导航相机影像生成DOM,然后通过探测车导航相机生成的DOM与降落相机生成的高精度着陆区影像匹配实现着陆器在降落相机影像上的定位,而降落相机影像生成的DOM是以嫦娥二号1.5m分辨率影像为基准的,因此实现了着陆器在嫦娥二号影像上的高精度定位。

两器分离前导航相机影像生成DOM


降落相机影像生成的DOM


DOM匹配实现着陆器定位


匹配结果得到LRO拍摄验证


2. 嫦娥四号着陆器定位

     2019年1月3日,嫦娥四号着陆器和巡视器成功降落于月球南极背面艾特肯盆地的冯卡门撞击坑,玉兔二号月球车当天与着陆器分离并开始巡视探测。

     基于嫦娥二号、LRO轨道器影像、嫦娥四号降落相机影像,利用多源数据特征匹配方法实现了嫦娥四号着陆器的高精度定位,定位结果为177.588°E, 45.457°S。

嫦娥四号着陆区LROC NAC DOM


嫦娥四号降落相机影像(距离月面高度:~4.0 km (a), ~100 m (b) and ~8 m (c))


多源数据特征匹配结果


嫦娥四号在LROC NAC 正射影像图上的定位结果


3. 嫦娥五号着陆器定位

     嫦娥五号,是中国首个月球无人采样返回探测器,2020年11月24日于海南文昌发射场发射。2020年12月1日嫦娥五号着陆器和上升器组合体成功着陆于月球正面北部的“风暴洋”,完成月面采样后于上升器携带月球样品于2020年12月3日飞离月球表面,12月6日上升器和返回器完成交会对接,随后月球样品成功转移到返回器,最终嫦娥五号返回器于2020年12月17日成功着陆于中国北部内蒙古着陆场,嫦娥五号采样返回任务取得了圆满成功(嫦娥五号采样返回过程如下图所示)。

嫦娥五号采样返回过程示意图


     基于降落影像和轨道器影像匹配的定位方法成功应用于嫦娥五号着陆器定位。嫦娥五号降落和着陆轨迹不同于嫦娥三号和四号,这为嫦娥五号的着陆器定位带来了新挑战。嫦娥五号着陆器和上升器组合体与轨道返回器组合体分离后,以倾斜方式开始下降着陆过程。着陆器和上升器组合体成功着陆后,高度距离月面9Km到着陆的240幅着陆器降落相机影像即下传至地面,降落相机影像大小为2352 × 1728 像素。利用降落相机影像的定位过程如下:

    (1)选取分辨率接近于嫦娥二号正射影像图分辨率的降落相机影像,通过撞击坑匹配的方式将降落相机影像匹配到嫦娥二号影像上,根据匹配点计算降落相机影像投影变换模型,并对降落相机影像通过投影变换模型配准到嫦娥二号影像上(图a),校正后的降落影像作为基准图用于后续降落影像的特征匹配;

    (2)间隔选取不同高度的降落影像数据,利用SIFT匹配方法与降落影像基准图匹配,将序列降落影像配准到嫦娥二号基准影像图上,直到最高分辨率降落影像匹配完成(图b);

    (3)取最高分辨率降落影像中心位置作为着陆器着陆位置,着陆器着陆位置为51.9162°W, 43.0584°N,嫦娥二号DEM上的着陆点高程为-2550.4m(图c);

    (4)嫦娥五号着陆点在LROC NAC DOM(M1132169436LE)上的定位位置为51.9156°W, 43.0591°N,SLDEM2015上着陆点高程为-2552.5m(图d)。

基于序列降落影像匹配的嫦娥五号着陆点定位


    嫦娥五号着陆1天以后,UTC时间2020年12月4日14:53:55,LRO获取了嫦娥五号着陆区新的影像(M1361560086R),此影像上可以清晰地看到嫦娥五号着陆器,LROC团队对嫦娥五号的定位结果为(43.0476°N, 308.0839°E, -2570m),验证了我们对嫦娥五号着陆器定位的准确性。

 

附相关文章:


万文辉,刘召芹,刘一良,刘斌,邸凯昌,周建亮,王保丰,刘传凯,王镓,2014. 基于降落图像匹配的嫦娥三号着陆点位置评估,航天器工程,23(4):5-12

刘斌,邸凯昌,王保丰,唐歌实,徐斌,张璐璐,刘召芹,2015. 基于LRO NAC影像的嫦娥三号着陆点高精度定位与精度验证,科学通报,60(28-29): 2750-2757.

刘斌,徐斌,刘召芹,刘一良,邸凯昌,唐歌实,周建亮,2014. 基于降落相机图像的嫦娥三号着陆轨迹恢复,遥感学报,18(5):988-994.

Liu Z, Di K, Peng M, Wan W, Liu B, Li L, Yu T, Wang B, Zhou J, Chen H. 2015. High precision landing site mapping and rover localization for Chang'3 mission,Science China-Physics Mechanics & Astronomy,58(1):1-11.

邸凯昌, 刘召芹, 刘斌, 万文辉, 彭嫚, 王晔昕, 芶盛, 岳宗玉, 辛鑫, 贾萌娜, 牛胜利, 2019. 多源数据的嫦娥四号着陆点定位,遥感学报,23(1):177-184.

Liu, Z., K. Di, J. Li, J. Xie, X. Cui, L. Xi, W. Wan, M. Peng, B. Liu, Y. Wang, S. Gou, Z. Yue, T. Yu, L. Li, J. Wang, C. Liu, X. Xin, M. Jia, Z. Bo, J. Liu, R. Wang, S. Niu, K. Zhang, Y. You, B. Liu, J. Liu,, 2020. Landing site topographic mapping and rover localization for Chang’e-4 mission,Science China Information Sciences,63:170-181.

Wang J., Y. Zhang, K. Di, M. Chen, J. Duan, J. Kong, J. Xie, Z. Liu, W. Wan, Z. Rong, B, Liu, M. Peng, Y. Wang, 2021. Localization of the Chang'e-5 Lander Using Radio-Tracking and Image-Based Methods,Remote sensing,13(4):590-601.

   

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