基于地基观测的嫦娥三号着陆器与巡视器高精度定位

嫦娥三号(CE-3)探测器成功实现了我国首次月球软着陆,对巡视器和着陆器进行高精度定位是保障两器顺利完成月面探测任务的必要前提.本文首先对CE-3月面工作段的测量方式、各观测量测量模型以及运动学统计相对定位方法进行讨论.其次对着陆器进行定位并对定位精度进行评价,得到着陆器坐标为:44.1206°N,-19.5124°E,高程-2632 m(相对1737.4 km月面),通过与月面数字高程模型以及NASA探测器LRO的航拍结果比较,定位差异优于50 m,分析表明VLBI数据对提高着陆器定位精度有显著贡献.最后,利用同波束VLBI数据进行月面巡视器与着陆器的相对定位.与视觉定位方法相比,本文所用的基于地基观测量的运动学统计定位法不受着陆器可视范围限制,且定位精度不随两器距离增加而降低.计算结果表明,在现有的测量条件下,使用纳秒量级的VLBI差分群时延数据,两器相对定位精度在百米;使用皮秒量级的VLBI差分相时延数据,并在定位过程中进行模糊度解算,可以实现米级的月面双目标的相对定位,具有重要意义.     

“嫦娥三号”月球探测器的轨道确定和月面定位

我国探月工程二期"嫦娥三号"月球探测器(CE-3)在月球正面虹湾以东地区登陆,这是我国首次在地球以外的天体成功实施软着陆.CE-3采用X频段测距测速联合VLBI测量技术进行定轨定位工作,其中VLBI采用了ΔDOR测量技术,测量精度较CE-1/CE-2任务有很大提高.本文评估了CE-3地月转移段、环月段和动力落月段的定轨精度,分析了着陆器定位以及巡视器相对定位精度.分析结果表明环月100 km×100 km和100 km×15 km轨道确定精度分别约为20和30 m,精度比CE-2提高约50%,与同时期国外月球探测定轨精度相当.CE-3新增了动力落月段和月面工作段的定轨定位工作,本文利用运动学统计定轨方法确定了CE-3动力落月轨迹,综合分析落月轨迹确定精度优于100 m.利用统计定位方法确定了着陆器的在月固系的位置,以及巡视器相对于着陆器的相对位置,着陆器定位结果和LRO图像数据差异小于50 m,差分群时延数据巡视器相对定位精度在百米量级,而利用高精度的差分相时延数据,结合一定的数据处理策略,可以得到精度在米级的着陆器和巡视器相对定位结果.     

嫦娥一号卫星受控撞月轨迹测量与落月点坐标分析

利用2009年3月1日嫦娥一号(CE-1)卫星受控撞月段的射电测距与VLBI跟踪时延, 在定位模式下对落月轨迹和落月点坐标进行了解析. 结果表明, CE-1卫星的落月时刻(最后信号的发出时刻)为UTC8h13m6.51s, 落月点在月球主轴系中的月面经纬度和高度分别为52.2732°E, 1.6440°N, ?3.56 km(月球参考半径取为1738 km), 误差分别为0.0040°, 0.0168°, 0.18 km. 对应的月面切向误差为0.52 km, 三维定位误差为0.55 km. 由定位误差推断, 即使维持当前技术指标, 联合射电测距与VLBI观测时延, 能够保障对我国探月二期的着陆器1 km的三维定位精度. 对于巡视器月面轨迹测定, 由于仅发送遥测信号, VLBI将是其唯一的地面跟踪手段. 分析表明, 采用地心距约束等先验信息有利于提高定位精度. 研究同波束VLBI技术在巡视器定位中的应用, 以及分析月面地形图和探测器机载测量等的应用, 值得今后重点关注.     

利用降落影像序列实现嫦娥三号系统着陆点高精度定位

准确确定嫦娥三号着陆器的着陆点是圆满完成嫦娥三号任务的一个重要标志,也是着陆器和巡视探测器开展后续科学探测任务的重要基础.本文通过对嫦娥三号着陆器降落相机获取的降落影像与嫦娥二号获取的着陆区高分辨率DOM影像进行联合处理,利用SIFT特征匹配、图像单应变换和立体视觉测量等技术,实现了嫦娥三号着陆器着陆点的高精度定位,该定位结果为遥操作系统对巡视探测器实施高效可靠的任务规划和指导科学目标探测提供了重要支持.     

嫦娥三号月面巡视探测器高精度定位

高精度的定位技术是嫦娥三号月面巡视探测器在月表实施科学探测任务的重要保障,本文提出了适用于月面环境无高精度控制点的立体图像条带网定位方法.首先,在地面控制场中,采用基于控制点的光束法平差方法获得精确的相机标定参数,进而计算出立体相机的摄影基线和相对方位元素.其次,通过像点匹配、前方交会完成图像的立体模型构建,然后根据不同摄站间的连接点序列建立立体图像条带网.依据连接点坐标观测值的权矩阵和扩展正交Procrustes理论,对立体图像条带网的数学模型进行最小二乘平差,直接获得月面巡视探测器的位置与姿态信息.最后在室内试验场内进行了新方法和传统光束法平差方法的对比验证,结果表明新方法在稳定性和计算效率方面优于后者,探测器定位精度相当.在此基础上,新方法应用于嫦娥三号月面巡视探测器的遥操作系统,充分满足了探测器的定位需求.     

运动学统计定位方法应用于月球着陆器的精密定位

针对月球探测中的着陆器定位问题,提出了运动学统计定位方法.利用一段时间内的测量数据,结合月球运动相关信息,将测量数据进行综合平差处理,获得着陆器在月固系中的位置.误差分析表明,测量误差是影响定位精度的主要误差源.利用中国科学院上海天文台自主研发的深空探测定轨定位软件包进行了仿真精度分析,分析了月面数字高程模型(DEM)在着陆器定位中的应用.结果表明,联合测距测速和VLBI数据,单历元的定位精度在百米级,10min弧长的统计定位精度可达米级.在着陆器定位解算过程中,利用月面数字高程模型提供的高程信息作为约束可以降低参数之间的相关性并提高解算精度,固定高程后数分钟单站测距测速定位精度优于1km.在定位过程中还可以直接应用月面数字高程模型,只解算经纬度2个参数,有助于在数据比较少的情况下提高定位精度,利用全球月球数字高程模型ULCN2005对该方法进行了验证,考虑到虹湾地区在CE-1和CE-2任务期间进行了加强观测,局部模型分辨率和精度较高,该方法可以在CE-3任务中重点考虑.     

基于LRO NAC影像的嫦娥三号着陆点高精度定位与精度验证

嫦娥三号(CE-3)着陆器的高精度定位具有重要的工程意义和科学应用价值.本文研究基于美国月球侦察轨道器(lunar reconnaissance orbiter,LRO)窄角相机(narrow angle camera,NAC)高分辨率月球遥感影像进行CE-3着陆点高精度定位的方法,并利用月面绝对控制点进行精度验证.收集历年来CE-3号着陆区和月球表面棱镜点的LRO NAC数据,利用精化后的轨道、姿态及相机参数等数据建立LRO NAC的严密成像几何模型,通过严密成像几何模型的初始点位预测、人工量测和高精度匹配等方式,获取影像上着陆点和月面激光测距反射棱镜点的影像坐标.用DEM辅助单像测图方法分别对CE-3着陆点和各棱镜标志点进行定位解算,将棱镜点的定位结果与地面观测的高精度定位值对比进行精度评价.利用本文方法,得到CE-3着陆点定位坐标为北纬44.1219?,西经19.5113?.     

嫦娥四号登陆月球背面

正2019年1月3日10日时26分,嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面预选着陆区,并通过"鹊桥"中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图,揭开了古老月背的神秘面纱。嫦娥四号在登陆之前到登陆之后,陆续传回了探测活动的照片。且活动过程中,嫦娥四号的巡视器和着陆器还来了一次可爱的"互动"。     

“玉兔号”月球车成功实施首次月面探测

<正>1月14日21时45分,在北京航天飞行控制中心精确控制下,远在38万公里外的我国嫦娥三号巡视器,即"玉兔号"月球车在月面伸出机械臂,对其脚下月壤成功实施了首次科学探测。继去年12月23日凌晨实施控制机械臂进行投放测试后,这次是"玉兔"车首次正式投放使用机械臂,时间持续近30分钟。后续任务中,"玉免"车还将对月石、月坑等进行科学探测。     

嫦娥三号的非凡之旅

正嫦娥三号3大工程目标突破月面软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等关键技术,提升航天技术水平研制月面软着陆探测器和巡视探测器,建立地面深空站,获得包括运载火箭、月球探测器、发射场、深空测控站、地面应用等在内的功能模块,具备月面软着陆探测的基本能力建立月球探测航天工程基本体系,形成重大项目实施的科学有效的工程方法     

BDS/GPS/GLONASS组合的双频单历元相对定位性能对比分析

随着我国北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)的建成与运行,目前具备独立服务能力的系统包括GPS,GLONASS和BDS,多系统组合已成为GNSS导航定位发展的必然趋势.基于伪距或载波相位的相对定位是目前利用GNSS实现高精度定位的主要技术手段之一.本文重点分析对比了BDS/GPS/GLONASS单系统、双系统以及三系统组合共7种模式下双频伪距和单历元载波相位相对定位性能.结果表明:(1)BDS/GPS/GLONASS组合伪距和单历元载波相位相对定位时,三系统观测值误差比分别设为1:1:2和1:1:1较合适;(2)BDS/GPS组合的性能要优于GPS/GLONASS以及BDS/GLONASS组合,BDS/GPS/GLONASS三系统组合较双系统组合可进一步改善定位性能;(3)短基线条件下(20 km),BDS/GPS/GLONASS组合伪距和单历元载波相位相对定位精度较单BDS,GPS,GLONASS系统分别提高了48.4%,31.7%,65.7%和6.1%,12.5%,39.4%.     

月球车

月球车的科学名称是"月面巡视探测器",是在月球表面行驶,并对月球进行科学探测的专用车辆.胡震宇,博士,高级工程师;袁勇:工程师;上海宇航系统工程研究所,上海 201108.     

两块晶体的硬X射线衍射增强成像

硬X射线衍射增强成像(DEI)方法利用一块或一对放在样品和探测器之间的完美晶体(分析晶体), 把X射线(经过多块晶体单色化, 具有较高单色性和准直性)穿过样品时产生的透射光、折射光和散射光彼此分开来成像, 是一种和X射线相位变化梯度有关的成像方法, 能够大大提高弱吸收体硬X射线成像的衬度和空间分辨率. DEI成像的光路通常较为复杂, 入射光要经过多块晶体的衍射, 调节不便, 不利于实用化. 为了探索简化DEI方法的可行性, 在北京同步辐射装置(BSRF)仅用两块Si(111)单晶体(一块作同步辐射白光的单色器, 另一块作为Bragg模式的分析晶体)作了一系列DEI成像实验, 在摇摆曲线的十多个位置获得了衬度和分辨率均比吸收像明显提高的硬X射线衍射增强像, 并解释了分析晶体位于摇摆曲线不同位置时所得图像在明暗对比和成像衬度等方面的差别. 这是目前使用晶体最少的Bragg模式的DEI成像.     

月球车的高精度相对定位技术的研究

<正>我国的月球探测已经成功实现了绕月飞行.后续还将进行月面着陆勘察与采样返回的科学探测.在月面着陆探测任务中,如何实现月球车的精密相对定位是需要解决的一个重要课题.     

封面说明

<正>我国探月工程二期"嫦娥三号"月球探测器于2013年12月2日凌晨在西昌卫星发射中心发射,12月14日21时在月球正面虹湾以东地区软着陆,如封面显示,这是我国首次在地球以外的天体成功实施软着陆,成为世界上第三个自主实施月球软着陆和月面巡视探测的国家."嫦娥三号"任务是我国航天领域迄今最复杂、     

VLBI 应用于GEO 导航卫星的测定轨

我国区域卫星导航定位系统的星座设计包括了5 颗或更多地球同步卫星, GEO 卫星相对于地面测站的运动较小, 且由于需要维持轨位而必须较频繁地机动轨道, 这两个特点对GEO 导航卫星的精密定轨都提出了新的挑战. 目前已有采用C 波段转发式测距和L 波段直发式伪距测量实现GEO 卫星精密定轨的成功实践. 本文将在探月工程“嫦娥一号”和“嫦娥二号”测定轨中发挥重要作用的VLBI 技术应用于GEO 卫星测定轨, 介绍了VLBI 的测定轨原理和系统差校正方法, VLBI 测量主要约束了GEO 卫星的南北和东西位置分量. 中国VLBI 网(CVN)对某GEO 导航卫星进行了24 h 观测试验, 本文综合利用VLBI 测轨数据和C 波段转发式测距数据进行定轨分析, VLBI 时延测量精度约3.6 ns, 时延率约0.4 ps/s. 分析表明, VLBI 数据提供了对测距数据系统差的标定, 而综合两种类型数据联合定轨可以显著提高卫星机动后轨道快速恢复定轨预报精度.     

嫦娥一号探测器发现月球正面 “玉兔&rdquo|火山

月面白天日照情况下, 高海拔、高反照率地区反射阳光产生的辐射状光线, 会对其周围海拔低、地形变化缓慢、反照率低的地区带来显著的“灯下黑”照明效应的影响, 甚至把这些地区的地貌从光学波段 “隐藏” 起来. 利用嫦娥-1绕月探测器激光测高得到的地形DEM模型, 对比重力探测的历史结果, 在月球正面风暴洋西部(中心位于(14°N, 308°E)处), 从“灯下黑”区域新认证了一个直径约300 km, 高度约2 km的火山——暂时称为“玉兔”山. 还修正了“玉兔”山以北300 km左右的“桂树”火山三维地形. 该发现对研究月球正面演化过程有重要的参考价值.     

未来如何探测月球

有人梦想在月球上建造密闭的城市,里面的环境与地球的自然环境类似。随着各国探月计划的不断推进,未来的月球基地有望成为真正的＂天上宫阙＂。2013年12月2日,我国用长征3号乙改进型运载火箭成功发射了嫦娥3号落月探测器,它首次实现了我国对地球以外天体的软着陆及巡视勘察任务,使我国成为世界第二个发射无人月球探测车的国家,在全球产生了广泛的影响。那么,从世界范围来看,未来国内外还将发射哪些月球探测器,如何实现探月的最终目标——建成月球基地？     

星载合成孔径雷达高精度快速定位方法

星载合成孔径雷达(SAR)定位是其影像应用的基础, 研究高效能的定位方法对促进SAR 影像应用具有重要意义. 从SAR 成像机理出发, 分析揭示了SAR 成像几何的两个基本特性, 并对两个特性的合理性进行了论证. 基于此, 提出了一种高精度快速定位解算方法. 针对目前国际上最为典型的四种SAR 卫星, 德国TerraSAR-X、意大利COSMOSkyMed、日本ALOS-PalSAR 和加拿大Radarsat-2 进行了精度分析, 结果表明本文方法的精度完全能够满足这四种卫星的实际需求. 最后, 利用TerraSAR-X 聚束模式SAR 实测数据进行快速定位处理, 性能评估结果表明在极大降低运算量的情况下保持了极高的定位精度, 验证了方法的高效性和正确性.     

第二次探月高潮引发的思考

1958-1976年,美国和苏联掀起了第一次探月高潮.在19年间,两国共发射83个月球探测器,成功率达55.5%.1969年7月,美国阿波罗11号飞船成功实现登月,人类首次踏上了月球.随后.美苏又进行了多次载人和不载人登月取样,获得了珍贵的月球样品和海量的科学数据,月球探测取得了极大的成就.