“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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

VLBI相位参考成像方法用于玉兔巡视器精确定位

实时高精度VLBI技术在嫦娥三号任务中的成功应用,为探测器的成功落月及月面定位提供了重要保障.目前使用VLBI群时延及测距数据获得的玉兔巡视器在月面上相对着陆器的位置精度约100 m.为获得更精确的巡视器位置,在中国VLBI网同波束观测条件下,将天文相位参考成像方法成功用于月面定位.先将探月VLBI软件相关处理机结果转为通用FITS-IDI数据格式,然后用天文成像软件对着陆器和巡视器进行相位参考成像,得到巡视器天线相对于着陆器天线的角位置.在此基础上,提出了新的探测器月面相对定位算法,获得了玉兔相对于着陆器高精度月面位置.由于利用了同一基带转换器数据进行相位参考成像,消除了共同的系统误差,因此获得了极高的定位精度.本文分别完成了玉兔离开着陆器前,两器处于初始零位条件时,以及两器在不同位置相互拍照时的相对位置测量.理论分析、零位测量及与视觉定位结果的比较表明,采用VLBI相位参考法获得的玉兔巡视器的相对位置精度约为1 m.本方法可用于未来月球及行星表面巡视器相对位置精密测量、导航与视觉定位结果的标定.     

嫦娥一号干涉成像光谱仪数据TiO2 反演初步结果

反演月表TiO₂含量的分布对于月球科学研究和未来月球资源开采与利用具有重要意义. 利用干涉成像光谱仪数据对月表TiO₂ 反演进行了初步尝试, 获得了基于月球着陆点数据和月面真值的TiO₂ 反演公式. 将该公式应用于嫦娥一号干涉成像光谱仪数据, 获得了TiO₂ 在Apollo 16 登陆点附近高地、月球澄海MS2 地区的低钛玄武岩和高钛玄武岩等地区的局域分布特征. 经与Clementine UVVIS 数据反演结果进行比较, 嫦娥一号干涉成像光谱仪数据的TiO₂ 含量初步模型对于所研究的高地地区预测偏高0.7 wt.%左右, 对于月海低钛地区的预测偏高1.5 wt.%左右, 对于月海高钛地区的含量预测偏低0.8 wt.%左右.     

基于"嫦娥一号"的月表形貌特征分析与自动提取

利用"嫦娥一号"CCD相机获得的遥感影像及其经三线阵数字摄影测量处理后的DEM数据(空间分辨率为500 m)进行了月表形貌特征分析.结果表明:月球的平均高程为-742 m,最大高程点和最小高程点均位于月球的背面,其中前者位于Engel'gardt撞击坑东缘,后者位于Minkowski撞击坑的次级撞击坑内;月球表面相对平...     

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.     

天问一号火星探测器着陆点快速精确定位

为实现天问一号着陆点快速精确定位,规划火星车行驶路径,并将火星车后续数据纳入统一的地理坐标系,本研究利用着陆初期有限数据(天问一号环绕器获取的遥感影像、一幅悬停避障缓速下降阶段的GNC(guidance,navigation and control)避障敏感器拍摄的降落影像和导航相机在着陆平台的环拍立体像对)完成定位任...     

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.     

中子活化分析揭秘嫦娥五号月壤成分

<正>2020年12月17日,我国嫦娥五号（Chang’E-5, CE-5）成功采集1731 g月壤并返回地球,是继美国和苏联探月采样任务44年后人类再次获得的月球样品,也是人类首次在月球表面最年轻火山岩地区进行采样^[1].由于CE-5月壤样品的特殊和珍贵,国家航天局优先选用非破坏分析方法对CE-5月壤开展研究.针对月球演化过程中的重要科学问题,国内科研团队利用不同的先进分析技术对CE-5月壤开展相应科学研究,     

“嫦娥一号”干涉成像光谱仪数据FeO反演初步结果

月表FeO含量的分布对于未来月球资源利用和科学研究具有重要意义.在Apollo和Luna取样点的干涉成像光谱数据与月表FeO含量真值的基础上,得到了利用干涉成像光谱仪数据进行月表FeO填图的初步数学模型.将该公式应用于"嫦娥一号"干涉成像光谱仪数据,成功得到了月表FeO的局域地区分布.经过与Clementine UVVIS数据进行比较,嫦娥干涉成像光谱仪数据的FeO含量初步模型对于月海地区的预测偏低(2%),对于高地地区的预测偏高(3%).     

“嫦娥一号”多通道微波辐射计测量估算全月球月壤层氦3含量

由太阳风注入月球表面月壤层的氦3(³He)是一种可供核聚变燃料使用的最有价值的月球资源之一. 以Apollo月壤样品为基础, 提出月表面³He含量与月表面归一化太阳风通量、月壤光学成熟度以及TiO₂含量之间成线性关系. 中国2007年10月24日首次成功发射的“嫦娥一号”(CE-1)探月卫星在世界上首次载有多通道微波辐射计, 用于测量月表面微波辐射亮度温度(brightness temperature, Tb). 本文根据CE-1观测的多通道Tb数据反演的全月球月壤层厚度, 估算全月球月壤层³He总含量约为6.6×10⁸ kg, 其中月球正面3.7×10⁸ kg, 月球背面2.9×10⁸ kg.     

基于不同取向的CCD图像准确求解底片常数模型

使用云南天文台1米望远镜上新安装的2k×2k CCD观测疏散星团NGC2168, 并在观测过程中旋转CCD支架90°分别成像. 采用UCAC2星表的星表位置对视场中星象的量度坐标进行归算表明: CCD视场具有明显的扭曲, 即在星象标准坐标(ξ,η)与量度坐标(x,y)的关系模型中, (x,y)对(ξ,η)的影响高达4次方项. 另一方面, 较亮的UCAC2星的位置测量精度可达~7 mas(视场大小为7′×7′, 曝光时间为60 s). 在高精度定位的CCD成像观测中, 这一新的发现对于提高天体测量精度将具有重要的意义.     

一张图了解嫦娥大家族

<正>嫦娥一号任务2007年,嫦娥一号任务实现绕月探测,2009年3月受控撞月。嫦娥二号任务2010年,嫦娥二号验证探月工程二期部分关键技术,获得国际最高的7米分辨率全月图和月球虹湾地区1.5米高分辨率局部影像图;飞至150万公里远的日地拉格朗日L2点进行环绕探测;对700万公里外的图塔蒂斯小行星进行高精度飞越探测,不断刷新中国高度。     

嫦娥二号卫星轨道确定与测轨技术

嫦娥二号卫星轨道为运载火箭直接将卫星送入地月转移入口点、近月点100km高度月球捕获型轨道.该类型轨道确定及精度评估是测控需要解决的关键问题之一;X波段测量技术实验数据处理方法及精度评估是测定轨中要解决的另一关键问题.本文针对喷气卸载对转移轨道定轨的影响提出了截短观测弧段以提高轨道解算精度的定轨策略,提出了基于入轨轨道与地月转移第一次中途修正量的入轨点精度评估方法,以及基于渐进重叠弧段的近月捕获轨道精度评估方法,在摄动力分析的基础上给出了100km高环月工作轨道月球重力场模型选用策略.给出了深空相位测量数据处理方法,对X波段测距及DOR数据噪声进行了评估.分析表明,文中给出的定轨策略正确、可行,嫦娥二号卫星在地面控制中心的测控下准确进入环月工作轨道;X波段测量数据处理与精度分析方法正确,测速及时延数据噪声降低70%以上,测轨实验数据精度有显著提高.X波段测轨技术与数据处理方法适用于后续深空探测.     

全月球三维立体图诞生中国

真实的月球什么样?我们能看到神秘月宫的每一个角落吗?中国科学家最近为这些问题找到了答案."嫦娥一号全月球三维立体图自动构建技术"项目前不久通过了解放军总装备部组织的成果鉴定.利用嫦娥一号原始影像制作的可实时浏览的全月球三维立体图,可为我国探月二期工程的月球软着陆器选址、月球机器人运动规划和仿真等提供技术支撑.     

用于高精度超远程激光测距的高光束质量大能量皮秒激光器

<正>激光超远程测距是从地面台站发射窄脉宽高能量激光束对30万千米以上的探测目标(月球和探月飞行器)进行高精度测距的一种直接测距方法.激光超远程测距不仅能为各类探月飞行器进行精确定轨和变轨提供重要指导数据,还可以为天文地球动力学、地月科学、月球物理学和引力理论等研究所需的高精度月球距离提供数据基础.目前,国际上已实现厘米量级月球激光测距精度.2018年1月,中     

2000中国大地坐标系

总结了构建2000中国大地坐标系及坐标框架的基本策略, 包括坐标系的定义, 坐标框架建设层次, 实现2000中国大地坐标框架的函数模型、随机模型以及平差方法的改进. 首先利用国际高精度IGS站与我国连续运行GPS网联合解算, 构成我国2000坐标系的基本骨架, 保证我国2000坐标系与国际高精度地心坐标系统一致; 在高精度IGS站坐标控制下, 将我国已经建成的6个全国范围GPS大地控制网进行优化集成, 建立了具有2500多点的高精度的、统一的“2000国家GPS大地控制网”(历元为2000.0), 形成了2000中国大地坐标系的基本框架; 再将全国天文大地网与2000国家GPS大地控制网进行联合平差, 进一步加密了我国大地坐标系框架, 加强了我国天文大地网的现势性, 提高了天文大地网的精度, 统一了国家大地测量基准. 通过具有针对性的数据融合方法处理后的中国大地坐标框架, 消除了各类大地网的基准差, 减弱了系统误差和异常误差的影响. 最后对启用2000中国大地坐标系的意义以及现有中国大地坐标框架存在的问题进行了描述.