如何确定嫦娥四号着陆点的精确位置？
嫦娥四号着陆点的精确定位对于着陆后任务的安全高效实施及相关的月球科学研究具有重要意义。那么如何能够确定着陆点的精确位置呢？
中科院空天信息研究院遥感科学国家重点实验室邸凯昌研究员带领的行星遥感团队，在北京航天飞行控制中心参加了嫦娥四号工程任务，在着陆点定位、月面三维地形重建、障碍识别、月球车视觉导航定位等方面做出了重要贡献。团队基于嫦娥二号正射影像、LROC NAC正射影像、嫦娥四号降落相机影像、嫦娥四号监视相机影像等多源数据，利用影像特征匹配定位和单像视觉测量定位技术，确定了嫦娥四号着陆点的精确位置为(177.588°E，45.457°S)。
嫦娥四号(CE-4)是中国月球探测工程的一项重要任务。在“鹊桥”中继星的支持下，嫦娥四号探测器于2019-01-03 10:26在月球背面预选着陆区南极-艾特肯盆地(South Pole-Aitken basin)内的冯·卡门撞击坑成功软着陆，并于当日成功实现两器分离，这是人类探测器首次在月球背面软着陆，开启了人类月球探测新篇章。
CE-4着陆点定位是支持工程任务实施和科学应用研究的基础性工作。着陆点的高精度定位对于后续巡视探测工程任务的规划和安全高效实施至关重要。目前，国内外多个探测任务已经获取了着陆区的多种遥感数据，在这些多源月球遥感数据中同时确定着陆点位置，不仅可实现着陆点的高精度定位，而且有利于综合利用多源数据对着陆区开展深入的科学研究。
在CE-4工程任务中，行星遥感团队在北京航天飞行控制中心参加了遥操作任务，基于多源轨道器影像底图、CE-4着陆器降落相机序列影像、着陆器监视影像等，利用影像特征匹配定位、单像视觉测量定位等技术，确定了着陆点的精确位置，支持了工程任务。
下面，将简要介绍着陆点定位技术和CE-4着陆点定位结果。
行星遥感团队全程在飞控中心参加任务运行
月球表面大范围、高分辨率的轨道器影像产品是着陆器定位的基准底图，目前覆盖全月的最高分辨率立体影像数据为嫦娥二号(CE-2)轨道器影像，现已制成并发布了全月的7 m分辨率正射影像(DOM)及20 m分辨率的数字高程模型(DEM)产品。月球勘测轨道器相机LROC(Lunar Reconnaissance Orbiter Camera)的窄角相机NAC(Narrow Angle Camera)获取了几乎全月表高分辨率影像，其最高分辨率可达0.5 m，LROC NAC不是立体成像相机，所以只在少数区域通过相机侧摆获取立体像对。
行星遥感团队以CE-2 制作的DOM和LROC NAC 影像制作的高分辨率DOM作为基准底图，同时还利用了由“月亮女神”(SELENE)搭载的地形测绘相机与月球激光高度计(LOLA)融合生成的SLDEM2015进行了地形分析、天际线计算等。
CE-4着陆器底部以向下垂直视角安置了同嫦娥三号相同的降落相机。降落相机像幅为1024像素×1024像素，视场角为45.4°，在着陆过程中获取了分辨率由低到高的序列降落影像。由于“鹊桥”中继星数据链路带宽有限，因而降落时以抽帧方式下传多张1∶64压缩的降落影像，这些数据用于与轨道器基准底图的匹配定位。
CE-4着陆器上安置了3台监视相机，像幅为1024像素×1024像素，视场角为60°。其中，监视相机A、B安装于着陆器顶部，监视相机C 以15°俯仰角安装于着陆器前面板1.42 m高处，用于监视着陆器正前方视场，为两器分离决策提供支持。
着陆点的定位首先通过中分辨率降落相机影像(与轨道器影像分辨率相当)与轨道器DOM的特征匹配，获得初始定位结果，进一步通过序列降落影像的匹配，实现着陆点位置的传递。最后通过监视相机影像的量测结果，精化着陆点的定位结果。
由于着陆过程中实时下传的高压缩比降落图像马赛克效应严重，因而匹配定位处理之前引入抛物线模型进行影像预处理，提升降落影像质量，进而提升降落影像与轨道器DOM的匹配精度。为了对比验证，将降落相机影像同时匹配到CE-2和LROC NAC影像底图。图1是匹配定位结果，其中图1(b)是4 km高度拍摄的降落影像，图1(a)和图1(c)分别是CE-2和LROC NAC DOM，标识A、B、C为识别出的用于定位的同名撞击坑。
图 1. 多源数据特征匹配结果
工程中基于单像量测技术，利用监视相机C(下称监视相机)完成了着陆器前方距离和障碍物量测、光照及通信遮挡包络计算等任务，有效支持了两器分离决策及着陆点精确定位。监视相机单像量测技术是假设着陆点前方为一水平面，从监视相机像平面坐标，根据着陆器姿态及相机安装位置计算该点对应的着陆器月面局部坐标系下的物方坐标，进而确定两器分离任务区域内石块和撞击坑大小及与着陆器的相对距离。利用同样方法根据太阳及中继星的方位角和高度角计算光照和通信遮挡，避免在两器分离时巡视器停留在阴影或通信盲区。图2展示了监视相机单像量测结果，白色横线表示到着陆器前面板的距离，前方撞击坑直径约为29 m。
图 2. 监视相机单像量测结果(白线表示到着陆器前板的距离，撞击坑直径约为29 m)
最后，基于监视相机影像量测结果，结合降落相机高分辨率影像对着陆点位置进行精化，得到着陆点在LROC NAC基准底图上的精确位置为(177.588°E, 45.457°S)。同时，在嫦娥二号DOM和SLDEM2015中也确定了着陆点的精确位置。图3为以LROC NAC底图为基准的嫦娥四号着陆点定位图，其中图3(b)是图3(a)方框中的局部放大图。
图 3. 以LROC NAC底图为基准的嫦娥四号着陆点定位图
本文简要介绍了CE-4着陆点定位方法和结果，利用轨道器影像底图、着陆器降落相机影像、着陆器监视相机影像，通过影像匹配和视觉测量定位技术，确定了着陆点的位置，着陆点在LROC NAC基准底图上的精确位置为(177.588°E, 45.457°S)。同时，着陆点位置也精确地定位到CE-2 DOM及SLDEM2015中。
CE-4着陆点的精确定位，支持了工程任务的实施，也有助于综合利用多源数据开展着陆区科学研究。
”以上内容已发表在《遥感学报》2019年第一期。
论文引用:
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 [DOI:10.11834/jrs.20199015]
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