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.