降落影像和導(dǎo)航影像的巡視探測(cè)器定位方法

徐辛超，徐愛功，劉少創(chuàng)，馬友青，鄭真真

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 2.中國(guó)科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

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降落影像和導(dǎo)航影像的巡視探測(cè)器定位方法

徐辛超1,2，徐愛功1，劉少創(chuàng)2，馬友青2，鄭真真1

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 2.中國(guó)科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101)

針對(duì)現(xiàn)有巡視器導(dǎo)航定位方法依賴初值及算法較為復(fù)雜的問題，結(jié)合降落影像和導(dǎo)航影像，提出一種基于DLT的巡視器快速定位方法：首先采用ASIFT方法與人工輔助2種手段提取影像中至少6對(duì)以上的匹配控制點(diǎn)，然后計(jì)算降落影像中控制點(diǎn)在著陸器本體坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)，并從已有著陸區(qū)高分辨率DEM中獲取其高程，結(jié)合該點(diǎn)在導(dǎo)航影像中的像點(diǎn)坐標(biāo)代入DLT方程，通過迭代計(jì)算完成相機(jī)位置的計(jì)算，最終通過轉(zhuǎn)換得到巡視器位置，完成巡視器定位過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的方法是可行和有效的：連接點(diǎn)分布較好的情況下，該方法具有較高的定位精度；成像光照條件變化較大且紋理信息匱乏時(shí)，定位結(jié)果的精度降低。

巡視探測(cè)器；降落影像；導(dǎo)航影像；直接線性變換；導(dǎo)航定位

0 引言

巡視探測(cè)器的高精度導(dǎo)航定位技術(shù)是深空探測(cè)領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。高精度的位姿信息不僅可以確保巡視器的安全，而且可以使其與地面控制系統(tǒng)通信時(shí)具有較好的指向角度；同時(shí)也可以作為地面遙操作系統(tǒng)的參考，以實(shí)現(xiàn)精確位置的資源勘查等科學(xué)考察任務(wù)。深空探測(cè)時(shí)，地球上已有的導(dǎo)航定位方法無法直接開展[2-3]。甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(very long baseline interferometry，VLBI)定位技術(shù)誤差可以達(dá)到1 km左右，遠(yuǎn)不能滿足巡視探測(cè)器導(dǎo)航定位需求。探月過程中獲取了大量的影像，其中嫦娥二號(hào)獲取了海量數(shù)據(jù)；但是最高分辨率僅為1.5 m，無法滿足巡視探測(cè)器導(dǎo)航定位的精度需求[4]。嫦娥三號(hào)也獲取了大量的高分辨率影像，主要來源有：著陸過程中通過安裝在著陸器下方的降落相機(jī)獲取的降落影像、巡視器導(dǎo)航相機(jī)拍攝的導(dǎo)航影像等，這些影像都具有較高分辨，可以為巡視探測(cè)器的高精度導(dǎo)航定位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

嫦娥三號(hào)成功登陸后，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者開展了基于攝影測(cè)量手段的巡視器定位方法研究。文獻(xiàn)[5]提出了適用于月面環(huán)境的無高精度控制點(diǎn)條件下的立體圖像條帶網(wǎng)定位方法。文獻(xiàn)[6-7]提出了一種利用列文伯格馬夸爾特算法代替高斯牛頓算法進(jìn)行光束法平差的巡視器導(dǎo)航定位方法。文獻(xiàn)[8]采用站間影像匹配定位和數(shù)字正射影像(digital orthophoto map，DOM)匹配的方式實(shí)現(xiàn)了玉兔號(hào)巡視器的連續(xù)高精度定位。文獻(xiàn)[9]提出了結(jié)合相關(guān)系數(shù)、最小二乘和光束法平差等技術(shù)的相鄰攝站間的月面巡視器導(dǎo)航定位方法。

上述方法大都依賴遙測(cè)數(shù)據(jù)作為起算數(shù)據(jù)，部分算法實(shí)現(xiàn)過程相對(duì)復(fù)雜。本文結(jié)合降落影像和導(dǎo)航影像，提出一種不依賴遙測(cè)數(shù)據(jù)的巡視探測(cè)器直接線性變換(direct linear transformation，DLT)定位方法。

1 降落影像和導(dǎo)航影像

基于攝影測(cè)量的定位方法是實(shí)現(xiàn)巡視器高精度導(dǎo)航定位的重要技術(shù)手段之一。為了得到高精度的導(dǎo)航定位結(jié)果，高分辨率的影像是不可缺少的前提,而嫦娥三號(hào)著陸器下方安裝的降落相機(jī)和巡視器上安裝的導(dǎo)航相機(jī)拍攝的影像是重要的數(shù)據(jù)來源。

1.1 降落影像獲取

嫦娥三號(hào)著陸器在降落過程中，其攜帶的降落相機(jī)傳回了4 673張影像，為著陸區(qū)地形地貌重建發(fā)揮了重要作用。

當(dāng)著陸器距離著陸區(qū)約2 km時(shí)，降落相機(jī)啟動(dòng)，開始進(jìn)行降落影像拍攝。整個(gè)降落過程主要分為主減速、接近、懸停、避障、緩速下降和著陸階段。主減速和接近段主要位于高度為2 km至100 m的區(qū)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)著陸點(diǎn)的快速接近；懸停段主要在100 m高度附近，用于選擇著陸點(diǎn)的粗略位置；避障階段位于100至30 m區(qū)間內(nèi)，主要實(shí)現(xiàn)著陸點(diǎn)附近石塊或者撞擊坑等危險(xiǎn)因素的規(guī)避；緩速下降段位于30至4 m區(qū)間內(nèi)，主要實(shí)現(xiàn)著陸器的減速；著陸段主要是4 m后的自由落體部分。圖1為著陸器著陸過程的示意。懸停后的各階段中，著陸器軌跡基本處于垂直狀態(tài)，影像變形較小，可以重點(diǎn)用于著陸區(qū)地形重建和巡視探測(cè)器導(dǎo)航的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

降落相機(jī)設(shè)計(jì)像幅大小為1 024個(gè)像素×1 024個(gè)像素，焦距為8.594 mm，像元大小為6.7 μm，視場(chǎng)大小為45.4°×45.4°。此外，在著陸器上還安裝有激光高度計(jì)和姿態(tài)傳感設(shè)備，可以測(cè)量著陸器所在的高度、姿態(tài)等信息。結(jié)合上述相機(jī)參數(shù)和高度參數(shù)可以得到某一降落影像的像元大小與地面分辨率的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

S=0.006 7h/(8.594 cos2θ)。

(1)

式中：S為地面分辨率；h為著陸器高度；θ為降落相機(jī)與垂線間的夾角。

懸停階段后的第一幅降落影像拍攝高度約為91 m，姿態(tài)基本呈垂直狀態(tài)，可以得到其對(duì)應(yīng)的地面分辨率約為0.071 m，高度為30 m處的降落影像地面分辨率約為0.023 m，由此可見降落影像的地面分辨率可以滿足巡視探測(cè)器導(dǎo)航定位的需求。

1.2 導(dǎo)航影像

為了滿足巡視器導(dǎo)航定位及其他科學(xué)考察任務(wù)的需求，在巡視器前方的桅桿上安裝了立體視覺系統(tǒng)，主要包括全景相機(jī)和導(dǎo)航相機(jī)。2種相機(jī)成對(duì)安裝在桅桿的左右兩側(cè)，其中導(dǎo)航相機(jī)主要用來完成巡視器導(dǎo)航定位任務(wù)。圖2為導(dǎo)航相機(jī)安裝位置的示意。

嫦娥三號(hào)巡視器攜帶的導(dǎo)航相機(jī)安裝位置大約距地表1.6 m，設(shè)計(jì)像幅大小為1 024個(gè)像素×1 024個(gè)像素，焦距為17.7 mm，像元大小為0.015 μm，視場(chǎng)大小為46.4°×46.4°。導(dǎo)航相機(jī)在每個(gè)攝站會(huì)停下來開展科學(xué)任務(wù)，并利用導(dǎo)航相機(jī)拍攝前進(jìn)方向約120°范圍內(nèi)的影像。由于在已經(jīng)開展的攝站中，導(dǎo)航相機(jī)的俯仰角度為12°[6]，獲取的導(dǎo)航影像中距離巡視器越遠(yuǎn)的地方對(duì)應(yīng)的地面分辨率越低,因此在進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)應(yīng)盡可能選擇離巡視器較近的點(diǎn)。

2 巡視器定位方法

結(jié)合降落影像與導(dǎo)航影像，本文提出了一種巡視器快速定位方法，主要包括控制點(diǎn)提取和定位計(jì)算2部分。

2.1 控制點(diǎn)選擇

巡視器的導(dǎo)航定位是以著陸器本體坐標(biāo)系展開的。著陸器本體坐標(biāo)系原點(diǎn)為對(duì)接環(huán)下端框、著陸器與運(yùn)載火箭對(duì)接法蘭的理論圓心，X軸垂直于器箭分離面，指向主結(jié)構(gòu)向上方向，Y軸指向月面巡視探測(cè)器轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)方向，XYZ3軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

降落影像的像平面直角坐標(biāo)系原點(diǎn)為影像中心，x軸方向指向影像的水平方向，y軸在像平面內(nèi)垂直于x軸。

控制點(diǎn)選擇時(shí)，首先通過降落影像得到控制點(diǎn)在降落影像的像點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)，然后結(jié)合降落影像拍攝高度h與式(1)可以得到該像點(diǎn)對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)的坐標(biāo)(X′,Y′)。根據(jù)降落相機(jī)的安裝位置可以得到降落影像中心與著陸器本體坐標(biāo)系中心的平移量(dX,dY)，此外還可以得到2套坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)軸間的夾角，從而根據(jù)平移和旋轉(zhuǎn)將像點(diǎn)對(duì)應(yīng)地面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至著陸器本體坐標(biāo)系下。假設(shè)降落影像的像平面直角坐標(biāo)系x軸與著陸器本體坐標(biāo)系X軸在XY平面內(nèi)的夾角為θ，則可以得到2套坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(2)

式中：(X′,Y′)為控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)的坐標(biāo)；(X,Y)為其在著陸器本體坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)。

降落影像是在空中垂直向下拍攝，而導(dǎo)航影像則是在地面接近水平方向拍攝，二者角度變化較大，采用傳統(tǒng)的尺度不變特征轉(zhuǎn)換方法(scale-invariant feature transform，SIFT)也無法完成2種影像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的選擇；因此需要采用具有抗仿射變換的仿射不變特征變換(affine scale-invariant feature transform，ASIFT)匹配方法結(jié)合人工實(shí)現(xiàn)[10-11]。為了實(shí)現(xiàn)巡視器導(dǎo)航定位，可以利用降落影像中較為明顯的特征點(diǎn)作為定位的控制點(diǎn)。

2.2 直接線性變換法定位

該方法是通過建立降落影像中控制點(diǎn)在著陸器本體坐標(biāo)和導(dǎo)航影像中像平面坐標(biāo)之間的直接線性關(guān)系，從而解算攝站的外方位元素。該方法不需要對(duì)像片做任何處理，也不需要方位元素的初值；但是需要至少6個(gè)以上的控制點(diǎn)才能完成定位計(jì)算。

首先建立共線條件方程

(3)

式中：(x,y)為導(dǎo)航相機(jī)中的像點(diǎn)坐標(biāo)；(X,Y,Z)為降落影像中對(duì)應(yīng)的著陸器本體坐標(biāo)系下的3維坐標(biāo)；Li為共線方程簡(jiǎn)化系數(shù)。

將式(2)展開可得到關(guān)于Li的方程

(4)

當(dāng)有n個(gè)控制點(diǎn)時(shí)，即可列出2n個(gè)方程式，經(jīng)過最小二乘求解得到Li。求得Li后即可解算當(dāng)前導(dǎo)航相機(jī)的攝站坐標(biāo)(XS,YS,ZS)，計(jì)算式為

(5)

2.3 定位結(jié)果轉(zhuǎn)換

巡視器導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃等任務(wù)是以巡視器本體坐標(biāo)系為參考的，即最終實(shí)現(xiàn)的巡視器定位應(yīng)是巡視器本體坐標(biāo)系原點(diǎn)位置在著陸器本體坐標(biāo)系下的定位。通過式(5)求解得到的(XS,YS,ZS)是導(dǎo)航相機(jī)的攝影中心在著陸器本體坐標(biāo)系下的3維坐標(biāo)，而巡視器本體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于巡視器底板的理論幾何中心；因此還需要將其經(jīng)過平移和旋轉(zhuǎn)操作，轉(zhuǎn)換至巡視器本體坐標(biāo)系原點(diǎn)才能完成最終的巡視器定位。

導(dǎo)航相機(jī)位置與巡視器本體坐標(biāo)系原點(diǎn)相對(duì)平移量求解過程中，首先需要將相機(jī)位置轉(zhuǎn)換至桅桿坐標(biāo)系，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換至月球車本體坐標(biāo)系。巡視器本體坐標(biāo)系原點(diǎn)為月面巡視探測(cè)器結(jié)構(gòu)底板對(duì)月面的理論幾何中心，X軸朝向探測(cè)器相機(jī)處于零位時(shí)刻的前進(jìn)方向，Z軸垂直于探測(cè)器結(jié)構(gòu)底板指向地下，XYZ3軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。桅桿坐標(biāo)系原點(diǎn)為云臺(tái)與桅桿機(jī)械臂上節(jié)點(diǎn)處(如圖2所示)，3軸方向巡視器本體坐標(biāo)系各軸平行。

假設(shè)巡視器各種設(shè)備均處于零位時(shí)，即相機(jī)俯仰角和偏航角度均為零時(shí)，相機(jī)中心相對(duì)于桅桿坐標(biāo)系原點(diǎn)偏移量為(ΔX0,ΔY0,ΔZ0)，該偏移量在月球車出廠時(shí)已獲得，當(dāng)導(dǎo)航影像俯仰角為φ、偏航角為κ、桅桿坐標(biāo)系原點(diǎn)與巡視器本體坐標(biāo)系原點(diǎn)的偏移量為(ΔXW,ΔYW,ΔZW)時(shí)，可以得到旋轉(zhuǎn)后的相機(jī)中心與巡視器本體坐標(biāo)系原點(diǎn)間的偏移量(ΔX,ΔY,ΔZ)之間的關(guān)系為

(6)

式中：Rφ為導(dǎo)航相機(jī)俯仰角φ形成的標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)矩陣；Rκ為導(dǎo)航相機(jī)偏航角κ形成的標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)矩陣。

利用式(5)得到的相機(jī)位置，結(jié)合導(dǎo)航相機(jī)相對(duì)于巡視器本體坐標(biāo)系原點(diǎn)的最終平移量(ΔX,ΔY,ΔZ)，可得巡視器最終位置為(XS+ΔX,YS+ΔY,ZS+ΔZ)。

2.4 算法實(shí)現(xiàn)過程

本文提出的基于降落影像和導(dǎo)航影像的巡視探測(cè)器導(dǎo)航定位方法具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

1)選定降落影像和導(dǎo)航相機(jī)影像，并確定降落影像拍攝高度h。

2)通過升空前的鏡頭標(biāo)定參數(shù)，提取出對(duì)應(yīng)降落相機(jī)和導(dǎo)航相機(jī)鏡頭的畸變參數(shù)，然后通過這些鏡頭畸變參數(shù)對(duì)降落影像和導(dǎo)航影像進(jìn)行像點(diǎn)糾正。

3)采用ASIFT對(duì)選定的影像對(duì)進(jìn)行匹配，得到降落影像與導(dǎo)航影像的連接點(diǎn)在各自影像中的像點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)。當(dāng)點(diǎn)數(shù)量不足6個(gè)時(shí)，通過人工輔助的方法添加。連接點(diǎn)選擇時(shí)，盡量選擇離巡視器較近的位置。

4)根據(jù)連接點(diǎn)在降落影像中的像點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)，然后結(jié)合降落影像拍攝高度h與式(1)可以得到該像點(diǎn)對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)的坐標(biāo)(X′,Y′)。

5)將上述連接點(diǎn)坐標(biāo)(X′,Y′)代入式(2)，得到該連接點(diǎn)在著陸器本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(X,Y)。

6)在降落影像生成的著陸區(qū)DEM中提取該點(diǎn)的初始高程值Z0[8]，由于著陸區(qū)DEM由降落影像得到，因此需要將其減去降落相機(jī)中心與著陸器本體坐標(biāo)系中心在垂直方向的偏移量d，得到該點(diǎn)最終高程值為Z=Z0-d。結(jié)合步驟5)，可以得到該連接點(diǎn)在著陸器本體坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)。將著陸器本體坐標(biāo)系作為定位的物方坐標(biāo)系，則這些連接點(diǎn)可以視為定位過程中的物方控制點(diǎn)。

7)將連接點(diǎn)在導(dǎo)航影像中的像點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)和步驟6)中得到的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)(X,Y,Z)代入式(3)，建立方程組，并通過最小二乘迭代進(jìn)行求解Li。

8)根據(jù)得到的Li，結(jié)合式(5)求解相機(jī)位置(XS,YS,ZS)。

9)結(jié)合導(dǎo)航影像姿態(tài)角度與導(dǎo)航相機(jī)安裝數(shù)據(jù)，根據(jù)式(6)計(jì)算相機(jī)中心與巡視器本體坐標(biāo)系中心的偏移量(ΔX,ΔY,ΔZ)，得到巡視器的最終定位結(jié)果(XS+ΔX,YS+ΔY,ZS+ΔZ)。

10)根據(jù)巡視器定位結(jié)果和著陸區(qū)影像，完成后續(xù)路徑規(guī)劃等科學(xué)任務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證提出方法的可行性與精度，本文采用嫦娥三號(hào)真實(shí)降落影像和導(dǎo)航影像進(jìn)行了定位實(shí)驗(yàn)，并將定位結(jié)果與遙測(cè)真實(shí)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)[2]的定位結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖3為降落影像與導(dǎo)航影像中的連接點(diǎn)提取結(jié)果，其中降落影像拍攝高度為30m，導(dǎo)航影像為巡視器在N0103點(diǎn)時(shí)拍攝的影像。

由圖3可以得出，經(jīng)過ASIFT算法和人工輔助可以提取出足夠數(shù)量的連接點(diǎn)，從而為后續(xù)的巡視器定位提供基礎(chǔ)。

提取到足夠數(shù)量的連接點(diǎn)后，采用提出的定位方法對(duì)17個(gè)攝站進(jìn)行了導(dǎo)航定位測(cè)試。圖4為遙測(cè)數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)[2]的定位結(jié)果以及本文方法定位結(jié)果在降落影像中的導(dǎo)航定位軌跡。

為了驗(yàn)證提出方法的定位效果，將遙測(cè)數(shù)據(jù)作為真值，本文方法與文獻(xiàn)[2]中提出的方法進(jìn)行了定位結(jié)果的對(duì)比分析。圖5為2種方法在17個(gè)導(dǎo)航點(diǎn)的定位對(duì)比結(jié)果。由于高度Z值不影響最終的導(dǎo)航定位結(jié)果，因此圖中只列出了平面XY方向的相對(duì)誤差。

由圖5可以得出：前3個(gè)攝站中，XY方向與遙測(cè)數(shù)據(jù)的偏移量都很小，分別為0.180和0.055m；隨著攝站的累積，2種方法與遙測(cè)數(shù)據(jù)在X、Y 2個(gè)方向的偏差逐漸增大，而到第6站時(shí)二者偏差都有不同程度的減?。辉诘?和9攝站時(shí)X方向的偏差較大，本文方法的偏差分別為1.424和1.982m；而第10站時(shí)偏差減小，再后續(xù)的攝站偏差不穩(wěn)定。整體X方向平均偏差0.320m，Y方向平均偏差為-0.170m。造成上述情況的主要原因是：1)由于巡視器在前進(jìn)過程中，會(huì)出現(xiàn)車輪打滑等情況，造成了部分遙測(cè)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，使得偏差增大；2)由于第10站為第二月晝的開始，各種位姿傳感器都重新啟動(dòng)，因此由先前造成的累積誤差消除，使得定位偏差減?。?)由于不同攝站在連接點(diǎn)選擇的分布、數(shù)量和質(zhì)量上均有區(qū)別，造成了定位結(jié)果與遙測(cè)結(jié)果的偏差。第7和第9攝站影像中的明顯參照物較少，造成提取的連接點(diǎn)數(shù)量減少，且精度有所降低，導(dǎo)致遙測(cè)數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)的偏差較大；而第11攝站影像中參考目標(biāo)比較豐富，提取的連接點(diǎn)數(shù)量較多，最終的定位結(jié)果與遙測(cè)數(shù)據(jù)偏差較小。

此外，還將提出方法的定位結(jié)果與文獻(xiàn)[2]中的基于攝影測(cè)量的方法進(jìn)行了橫向?qū)Ρ取D6為2種方法的對(duì)比結(jié)果。

由圖6可以得出，本文方法與文獻(xiàn)[2]中方法的定位結(jié)果中，X方向的偏差為0.166m，Y方向的平均偏差為-0.030m。提出的方法與文獻(xiàn)[2]中的方法相互驗(yàn)證, 實(shí)現(xiàn)了巡視器的高精度定位。也證明了本文方法具有較好的可行性和較高的可靠性。X方向的最大互差為0.856m，最小互差為0.010m。Y方向的最大互差為-0.272m，最小互差為-0.016m。綜合互差較大的站出現(xiàn)在第5和第7攝站，主要是由于降落影像中的參照物和導(dǎo)航影像中的參照物較少，造成連接點(diǎn)提取較少，導(dǎo)致與文獻(xiàn)[2]結(jié)果的互差較大；而其他攝站中連接點(diǎn)提取結(jié)果較好，因此與文獻(xiàn)[2]中方法的互差較小。

綜上所述：當(dāng)降落影像和導(dǎo)航影像中的連接點(diǎn)較為豐富時(shí)，本文提出的快速定位方法可以取得較好的定位結(jié)果；當(dāng)影像中紋理信息較為匱乏，成像光照條件變化較大時(shí)，連接點(diǎn)數(shù)量較少，可提供的多余觀測(cè)較少時(shí)，本文方法的定位誤差增大。此外，當(dāng)攝站中連接點(diǎn)距離巡視器比較遠(yuǎn)時(shí)，并且分布情況較為集中的情況下，也會(huì)造成定位結(jié)果誤差增大。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)已有巡視器定位方法較為復(fù)雜，且計(jì)算過程需要初值的情況，結(jié)合著陸器降落影像和巡視器導(dǎo)航影像，本文提出一種不依賴遙測(cè)數(shù)據(jù)的巡視器導(dǎo)航定位方法。采用真實(shí)的嫦娥三號(hào)降落影像和導(dǎo)航影像在巡視器的17個(gè)攝站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了定位試驗(yàn)。以遙測(cè)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[2]中方法的定位結(jié)果作為參考，與提出方法的定位結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。通過對(duì)定位結(jié)果分析可得到以下結(jié)論：

1)本文提出的不依賴初值的快速定位方法是可行并且有效的。影響提出方法精度的主要因素有降落影像和導(dǎo)航影像中提取的連接點(diǎn)數(shù)量及其分布情況，大部分情況下本文方法都可以取得較為理想的定位結(jié)果，僅在個(gè)別攝站中連接點(diǎn)數(shù)量較少且分布較為集中時(shí)，定位結(jié)果誤差增大。

2)基于攝影測(cè)量的定位方法可以為遙測(cè)數(shù)據(jù)提供必要的修正和參考，從而減少由于月球重力較少造成的巡視器行進(jìn)過程中出現(xiàn)車輪打滑，進(jìn)而影響里程計(jì)數(shù)據(jù)的情況，為巡視器的安全提供進(jìn)一步的保障。

本文的研究成果可以為我國(guó)后續(xù)的火星探測(cè)以及探月三期工程的巡視探測(cè)器的定位、導(dǎo)航服務(wù)提供有益參考。

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Apositioning method of rover based on descent image and navigation image

XUXinchao1,2,XUAigong1,LIUShaochuang2,MAYouqing2,ZHENGZhenzhen1

(1.School of Gematics, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaonng 123000, China;2.Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

Aiming at the problems that the existing navigation and positioning methods are dependent on the initial value and with more complex computation, the paper proposed a fast localization of the rover with descent image and navigation image based on direct linear transformation method: the ASIFT method was used to extract the matching points more than 6 from the two images; their landing plane coordinates under the lander body coordinate system were calculated; then the elevation was got from the existing high resolution DEM of landing area, combined with the image point coordinates in the navigation image, it was generated into the DLT equation; the camera position was obtained by iterative computation; the position of the rover was given through the conversion, and the positioning process was completed finally.Experimental result showed the feasibility of the proposed method by: the method would be with high positioning accuracy when the matching points were distributed well, while the accuracy would be reduced when the illuminating condition changed greatly and the texture information was scarce.

rover; descent images; navigation image; direct linear transformation; navigation and positioning

2016-08-26

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0803102)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401535)。

徐辛超(1984—)，男，山西汾陽(yáng)人，博士，講師，研究方向?yàn)榭臻g大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理和攝影測(cè)量。

徐辛超，徐愛功，劉少創(chuàng)，等.降落影像和導(dǎo)航影像的巡視探測(cè)器定位方法[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2017,5(2):32-37.(XUXinchao,XUAigong,LiuShaochuang，etal.Apositioningmethodofroverbasedondescentimageandnavigationimage[J].JournalofNavigationandPositioning,2017,5(2):32-37.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20170206.

P

A

2095-4999(2017)02-0032-06