Preparation of local base map for lunar orbiter scene matching navigation

为了可靠制备月球卫星景象辅助导航和着陆过程中的月面局部基准图,分析了月面局部基准图制备过程中出现的相关问题和解决方法.结合“嫦娥二号”月球卫星测控和导航实际约束条件分析了各种误差的起因及限制方法,给出了基于美国月球勘测轨道飞行器相机(LROC)全月面基准影像图的月面局部基准图制备算法.实验结果表明,按照所提方法生成的局部基准图与“嫦娥二号”局部正摄投影图像面特征一致,由映射变换产生的图像坐标最大定位误差为7.065 1 m,观测图尺寸为20 km×20 km时的最大形变偏差为6.18m,正摄投影图像面特征和定位偏差均能够满足月球卫星景象导航定位精度的要求.     

月基观测地球等离子体层极紫外辐射特性

研究了地球等离子体层的极紫外辐射特性,结果表明从月球上探测时地球等离子体层顶位于35 081.75 km以内,等离子体层结构的典型尺度量级为637.85 km,He+30.4 nm辐射强度为0.02~11.4 Rayleigh。讨论了月球轨道运动特性和月球表面环境特性,结果显示在一个月球公转周期内,总观测时间约为12个地球日,极紫外观测仪器对地指向的纬度最大偏移约为7°,经度最大偏移约为6°。对月面的极紫外辐射分析表明,太阳峰年月面散射的极紫外辐射强度约为2.0 Rayleigh,与地球等离子体层辐射量级相当。根据SELENE数据,描述了极紫外观测仪器所在的5个拟着陆区的地貌特征,证明了月面散射的极紫外辐射不会进入观测仪器,其中虹湾区的地形最为理想。根据Apollo-12和Apollo-15太阳风数据分析了月面质子和电子通量,结果显示在太阳峰年,一年内两者的总流量均为约5×1015cm-2。根据Apollo-12局地观测,在一个月球周期内,月面温度变化为80~390 K。得到的结果为月基极紫外观测仪器设计提供了重要依据。     

嫦娥四号:让月球背面露真颜

正全国政协委员、中国航天科技集团五院(以下简称五院)党委书记赵小津日前透露,我国计划今年实施嫦娥四号探月任务,探测器将实现人类首次在月球背面软着陆,开展原位和巡视探测。"我们将在嫦娥四号任务的中继星上搭载两颗小卫星,做射电干涉试验,探测宇宙‘黑暗时代’。"全国政协委员、中国科学院国家空间科学中心研究员吴季3月2日说。     

计算全息补偿检测自由曲面的高精度位姿测量

为实现自由曲面的定位与位姿高精度测量,提出了“光学-机械”基准定位法,建立了位姿测量模型,并对该方法的定位误差和基准选择展开研究。根据三坐标测量机与计算全息提出了“光学-机械”基准定位法。然后,采用球形安装的回射器（Sphere Mounted Retroreflector,SMR）、猫眼、基准球作为基准,基于波像差理论与视差效应分别建立了3种基准的位姿测量模型,得到了位置误差与基准区域波前像差的函数关系,并对3种位姿测量模型进行对比。最后,对3种基准位姿测量方法进行仿真及实验验证,实测结果与模型的残差结果均小于0.05λ,相对误差均小于2.43%,验证了模型的准确性。实验结果表明,当检测距离为1 000 mm时,猫眼法的轴向定位误差为24μm;基准球法的轴向定位误差为50μm;SMR靶球法的轴向定位误差为16μm,X,Y方向的定位误差为1μm,滚转角定位误差为3.26″。SMR靶球法的定位误差最小、检测动态范围最大且检测光学元件的自由度最多,更适用于自由曲面的高精度位姿检测。     

导航信息滞后补偿实现高速无人机对地精确定位

针对高速无人机光电侦查平台的实时对地目标定位误差,研究了基于惯导信息的光电平台目标定位算法。利用目标定位数学模型和误差模型,分析了影响目标定位精度的因素,建立了参数误差对于定位精度影响的数学仿真模型。通过仿真分析确定了卫星导航信息的实时性是造成定位误差的主要因素,提出了通过修正卫星导航信息延时时间来解决了光电侦察平台实时目标定位误差问题。进行了飞行试验以验证提出论点的正确性,结果表明:通过修正卫星导航信息延时时间,有效补偿了载机坐标信息滞后,提高了光电侦察平台目标定位精度,定位误差由补偿前的100m减少到小于40m。研究结果对高速飞行器的相关应用具有重要的参考价值。     

基于CenSurE star特征的无人机景象匹配算法

针对传统局部不变特征的景象匹配算法冗余点多、实时性差、抗几何变换不突出的情况,提出基于CenSurE-star的无人机(UAV)景象匹配算法。首先采用Cen Sur E特征星型滤波器(CenSurE-star)提取基准图和实时图中的特征点,并生成FREAK二进制描述符;然后将汉明距离作为特征点的相似性判定度量,采用K近邻距离比值的方法提取匹配点对;最后利用基于RANSAC的定位模型得到空间几何变换关系,实现图像匹配并获取定位点经纬坐标。算法性能评价实验表明,本文算法不仅相对于SIFT、SURF、ORB算法,对各种变换具有更好的鲁棒性,而且相对于改进的SIFT、SURF算法处理时间有更大程度的缩短,算法定位误差在0.8个像素内,尺度误差在0.02倍内,旋转角度误差在0.04°内。基于算法进行外场飞行实验,实验证明算法定位精度较高,可以适应地貌信息较少的环境,并能满足无人机视觉辅助导航的需求。     

星上设备安装姿态高精度自动测量系统设计

为了满足高分辨率对地观测卫星上设备安装姿态高精度测量的需求,设计了一种由二维龙门导轨、精密转台和CCD成像辅助自准直经纬仪构成的高精度自动姿态测量系统。该系统采用了多传感器数据融合的高精度测量算法,融合了自准直经纬仪的俯仰角、偏航角数据,精密转台的数据以及CCD图像数据,可以精确计算出远间距异面直线间的夹角。同时基于理论安装数据驱动的经纬仪自动定位方法,可以实现经纬仪沿导轨自动定位到最佳准直位置和朝向,再通过局部图像识别可以搜索出立方镜镜面法线的指向,最终实现精确准直。试验中,通过测量标准17面棱体与标准值比对,得到最大偏差为4.1",标准差为3.3";通过对模拟卫星上的立方镜进行搜索,可以实现自动化测量。该系统已经在我国高分二号卫星总装测试中进行了应用,保障了高分二号卫星的装配检测精度。     

嫦娥一号激光高度计优于日本数据填补世界空白

据《中国科学》杂志报道,“嫦娥一号”激光高度计在约一年的工作中,共获取912万点有效全月面三维高层数据,其中月球两极的高程数据填补了世界空白。在重量和作用距离等主要技术指标中,“嫦娥一号”亦明显优于同期工作的日本“月亮女神”激光高度计。     

一种基于图优化的行人协同定位方法

基于手机惯性传感器的行人航位推算方法是行人导航的核心方法之一。 然而由于传感器噪声等因素,航位推算获取 的位置信息误差往往随着时间发散,通常将航位推算和卫星导航通过卡尔曼滤波构成组合导航系统,利用卫星提供的高精度定 位信息补偿航位推算误差。 提出一种基于图优化的行人协同定位方法,将状态转移、量测和协同测距信息都作为状态的约束, 统一进行优化估计。 为验证方法的有效性,分别在卫星信号良好、无卫星环境下进行了实验验证。 实验分析结果表明,基于图 优化的行人协同定位方法在有无卫星信号情况下,都可以有效地提升系统的定位精度。 和基于卡尔曼滤波的协同方法相比,最 大水平定位误差都减少了 30% 以上。     

空间目标天基双星立体天文定位

为了提高天基光学传感器观测空间目标的定位精度,基于天文定位原理,提出了一种天基空间目标双星立体天文定位方法.首先,根据光学载荷固有参数,分析了空间目标在光学传感器上成像特性,选择阈值质心法精确提取目标在二维像平面上位置.接着,基于目标到观测传感器全链路坐标投影变换关系,建立了地球惯性坐标系下目标的观测矢量模型.然后,结合最小二乘法准则,建立了双星立体天文几何定位模型,完成空间目标从二维图像信息到三维空间信息的投影变换.最后,搭建地面实验生成了含空间目标的星空图像,并完成了定位算法验证和误差仿真分析.实验结果表明:当定位模型中没有误差时,定位精度可达10-5 m;当同时存在卫星位置误差、卫星姿态误差、卫星轨道误差、相机安装误差和图像处理误差时,定位误差分布为均值为零,标准差为114.62 m的高斯分布,基本满足定位需求.本文的研究工作可为天基空间目标的高精度检测定位提供参考.     

月球车虚拟仿真系统中自主导航的实现

虚拟仿真技术的发展为月球车的研制试验提供了越来越有效的支持。自主导航技术是月球车系统的一项关键技术,但月球车虚拟仿真系统中却很少涉及。为此,研究了在月球车虚拟仿真系统中融合自主导航功能模块。其中包括提出了一种用XML语言表达数字化月面属性的方法、虚拟环境中实现立体视觉的导航方案,并提出了自主导航技术在月球车仿真系统中的实现方法。最后应用于某型月球车的仿真试验,仿真结果表明系统可以为月球车自主导航技术的研究提供有效的支持工具。     

基于离散元的模拟月岩切削负载特性数值模拟及试验验证

钻取采样是人类获取月球岩石类样品的重要手段,钻进负载的稳定性是确保月岩采样任务成功的关键因素。由于岩石属性直接决定其可钻性等级,并影响钻进负载,有必要在地面环境中,分析岩石本构模型与钻进负载之间的关系,构建不同可钻性等级的岩石样本模型,开展模拟钻进试验,获知不同钻进参数下岩石采样的钻进载荷变化情况。据此,将地面条件下大理岩样本选作模拟月岩切削特性的研究对象,基于二维颗粒流程序(Particle flow code 2 dimensions,PFC2D),建立小切削深度下仿真分析模型。利用Plackett-Burman试验(PB试验)和中心组合设计(Central composite design,CCD)方法,确定影响岩石切削特性的微观参数,开展不同切削深度下的模拟月岩切削负载试验验证。经仿真分析与试验验证能得到与岩石切削特性相对应的离散元模型,试验结果表明该仿真模型在较小切削深度条件下的切削负载变化规律与实际情况一致。通过研究获得了一种建立模拟月岩离散元切削模型的建模方法,为后续分析钻头/切削刃构型参数对钻进/切削负载的影响提供了研究条件。     

二维里程辅助的掘进机自主导航方法研究

针对掘进工作面恶劣的环境以及掘进机时常发生滑移运动造成掘进机导航参数不能精准获取的难题,提出了基于二维 里程辅助的掘进机自主导航方法。 研制了二维里程测量装置,搭建了二维里程辅助的掘进机自主导航系统;建立了二维里程测 量装置和捷联惯导误差方程,推导了二维里程辅助的组合导航算法。 为了应对量测噪声统计特性时变导致系统估计误差变大 的问题,提出了基于模糊理论的数据融合算法,实时在线调整噪声协方差矩阵。 仿真实验结果表明模糊融合算法相对于传统融 合算法将航向角误差降低了 34. 78% ;3 个方向的定位误差分别降低了 44. 33% 、41. 82% 和 42. 26% 。 进行了掘进机导航定位实 验,实现了 0. 052 m 的定位精度,满足无人掘进工作面对掘进机自主导航的要求。     

Drilling Power Consumption and Soil Conveying Volume Performances of Lunar Sampling Auger

The sampling auger used in lunar sampling and return mission is to transmit power and convey soil, and its performance is the key factor of the whole mission. However, there is currently a lack of the ...     

Microcratering within the lunar regolith--a theory and observation

Since the Apollo 11 mission to the moon, there has been substantial analysis of the lunar rocks and soil grains, utilizing more recent advances in electron probe technologies. It is the objective of this research to revisit the theories concerning the microcratering within the lunar regolith. Recent theories have included the idea that the microcratering phenomenon was caused by meteoric impacting onto the lunar surface during early lunar history. Other theories have suggested that the microcratering was a result of secondary ejector associated with micrometeoric and meteoric impact. This research team suggests that microcratering may have been associated with primordial dust during and before the formation of our solar system.     

基于点线特征的通风管道建模与管内定位方法

为解决在通风管道环境下场景构型单一、传统视觉特征点稀疏的问题,利用前后两个单目相机和左右两个线阵激光雷 达作为主要传感设备,提出一种基于点线特征的管道建模与管内定位方法。 首先,利用 LaneNet 网络和改进的随机抽样一致算 法提取四条管壁边线特征,再利用图像中的几何和空间约束筛选局部直线分割算法的检测结果,得到管道连接处的两条竖直线 特征。 接着利用线阵激光雷达计算管道宽度和机器人偏航角,恢复了管道连接处线特征的深度信息并求解得到管道高度。 最 后建立管道地图坐标系并推算机器人的二维坐标位置和管道长度。 实验结果表明,定位的相对误差在 9. 8 cm 以内,管道建模 的相对误差在 2. 9 cm 以内,能够满足机器人在管道内巡检作业时的建模与定位需求。     

面向SAR匹配辅助导航的景象区域适配性分析

对SAR景象匹配辅助组合导航的关键技术之一——SAR景象区域适配性进行分析。首先,结合SAR成像过程、组合导航过程及SAR图像的特点对SAR景象区域适配性问题进行综合描述;然后,围绕减小几何畸变和提高匹配概率两个目标剖析SAR景象区域适配性的影响要素,其中包括基本约束条件、适配性特征指标和预测函数构建等。最后在此基础上,以限制几何畸变,优化图像特征为原则构建了基于多目标遗传优化的SAR景象适配区选择模型。基于真实SAR图像进行的实验中根据模型选出最佳适配区匹配概率达到94%,从而验证了分析和建模的合理性。该结论可为选择高性能的SAR景象适配区提供参考。     

里程计辅助的高精度车载GNSS/INS组合导航系统

针对城市隧道、偏远山区等复杂路况下,卫星导航系统信号被遮挡较严重或无卫星导航系统信号的场景中,车载GNSS/INS组合导航系统精度下降的问题,提出一种里程计辅助的高精度车载GNSS/INS组合导航方法。该方法中的组合滤波模式可根据载车环境变化在GNSS/INS组合模式和DR/INS组合模式间实现自适应切换,该组合导航方法将三维里程计航位推算位置误差作为状态量扩充到常规组合导航滤波器中,里程计的标度因数误差、安装角误差可通过里程计误差标定方法离线精确得到,后续使用只需将里程计误差参数装订到组合导航系统中即可。车载试验表明,7 km的信号遮挡场景下组合导航系统单个方向上的位置误差最大值也不大于8 m,整个跑车过程中位置误差在3 m以内,进一步保证了车载GNSS/INS组合导航系统复杂路况下的高精度定位。