VLBI观测对于CE-3着陆器定位和月球天平动参数的改进

月球天平动参数是采用地面对“嫦娥三号”（CE-3）着陆器VLBI观测量确定其位置的必要参数。目前,获取天平动参数主要通过星表外推方式,导致天平动参数的外推精度和可靠性降低,从而降低了CE-3着陆器的定位精度。本文基于VLBI对CE-3的观测量,顾及月球坐标系的建立和连接问题,推导了同时解算月球天平动欧拉角参数和CE-3号位置参数的数学模型。利用我国VLBI观测网（CVN）实测数据对CE-3着陆器的定位参数和对月球天平动进行了解算。试验结果的分析表明,本文所推导的数学模型能够达到较好效果,提高了着陆器定位精度和改进了月球天平动参数。     

VLBI和GPS观测联合解算地球自转参数和日长变化

利用GAMIT软件处理了2005年9月、2006年1月和2月每天17个IGS国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)站的GPS观测数据,获得了地球自转参数(Earth rotation parameter,ERP)和日长变化(ΔLOD),并与IGS综合解进行了对比。利用OCCAM 6.2软件处理了相同时间内的甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)观测数据,将解算结果与国际VLBI服务(International VLBI Service,IVS)结果进行了对比。分别采用基于内符合精度和IERS 08C04序列的定权方法对VLBI解算结果与GPS解算结果进行了加权平均,获得了VLBI和GPS技术对ERP和ΔLOD的协议结果。研究结果表明,VLBI解算结果与采用的插值方法有较大的关系,基于IERS 08C04序列的加权平均方法达到了利用VLBI解算结果对GPS解算结果进行修正的目的。VLBI和GPS技术的联合弥补了VLBI观测数据密度不够和GPS解算结果不稳定的缺陷,使解算结果的稳定性和可靠性有所提高。     

基于VLBI与BDS联合解算ERP的算法研究

利用PANDA软件解算2016年第61~91天的MGEX(Multi-GNSS Experiment)服务站的北斗数据,获得地球自转参数(ERP)。利用VieVS2.2软件处理了同时段的甚长基线干涉测量(VLBI)数据。采用基于IERS 08C04序列的定权方法对BDS和VLBI的解算结果进行加权平均,得到综合的ERP值。结果表明,与IERS比较,极移在X方向差值的RMS为0.249 mas,Y方向差值的RMS为0.296 mas,UT1-UTC差值的RMS为0.053 ms.利用BDS与VLBI数据对ERP参数进行联合解算,弥补了BDS解算结果不稳定和VLBI观测不连续的缺陷,使解算结果的稳定性和可靠性均有所提高。      

ERP精度对“嫦娥一号”差分VLBI定位精度的影响

推导了差分VLBI（ΔDOR）用于月球探测器定位的数学模型,利用嫦娥一号实测数据对探测器的位置和地球自转参数（ERP）同时进行了解算,并分析了ERP先验精度对定位精度的影响。     

VGOS超宽带观测的首次UT1测量数据处理及分析

在国际甚长基线干涉测量（very long baseline interferometry, VLBI）大地测量与天体测量服务组织协调下,首次利用隶属于VLBI全球观测系统（VLBI global observing system, VGOS）的美国Kokee和德国Wettzell观测站及并置的传统VLBI观测站开展了世界时（universal time, UT1）联合测量试验,观测数据在上海VLBI中心进行了干涉处理。结果表明,VGOS超宽带观测系统的UT1测量精度约为7 μs,并置基线的传统S/X双频系统测量精度约为14 μs,VGOS系统的UT1解算结果优于S/X系统。通过试验建立了从相关处理、相关后处理到UT1参数解算的完整数据处理流程,验证了上海VLBI相关处理机的VGOS数据处理能力,为承担国内和国际VGOS观测数据的相关处理任务奠定了基础。     

精密单点定位解算结果可靠性评估方法研究

针对精密单点定位解算结果质量评估方法的单一性,提出了对精密单点定位解算结果进行可靠性评估并总结了三种可靠性评估方法,利用实测数据根据三种评估方法分别从静态和动态定位两方面对精密单点定位解算结果的可靠性进行了评估,验证了其解算结果的可靠性,并提出了提高精密单点定位解算结果可靠性的措施。     

利用2006—2015年VLBI数据进行地球定向参数解算与分析

目前正处在下一代甚长基线干涉测量（very long baseline interferometry，VLBI）系统的建设时期。利用维也纳VLBI与卫星软件（Vienna VLBI and satellite software，VieVS）解算了2006—2015年的VLBI数据，得到了10 a的地球定向参数（Earth orientation parameters，EOP）时间序列，并与国际地球自转服务机构的结果进行了对比。利用解算结果得到了10 a的日长变化时间序列，通过傅里叶分析得出了日长变化的短周期、半月周期、月周期、半年周期和周年周期，同时还分析得到了极移序列中的周年项和张德勒周期项以及章动改正序列中的自由核章动项。此次解算工作可为武汉大学卫星台站日后的VLBI数据解析积累一定的经验。     

利用LSTM网络预测月球物理天平动参数

利用中国探月甚长基线干涉测量（very long baseline interferometry, VLBI）观测数据改进月球物理天平动参数的预测精度,对于着陆器和巡视器的精密定位具有重要意义。利用VLBI单点定位模型解算得到“嫦娥三号”（Chang’E-3,CE-3）着陆器的坐标和物理天平动,分别采用循环神经网络（recursive neural network, RNN）和长短期记忆（long-short term memory, LSTM）网络进行物理天平动的预测。选取月球着陆器的坐标和VLBI观测量作为输入量,将3个欧拉角Ω, i, μ作为输出量,将11 323个样本用于训练,2 315个样本用于测试,2 315个样本用于验证,1 000个样本用作与预测结果进行对比。结果显示, 验证集的数据经过1 000次训练和9次迭代训练后的梯度约为6.2×10-5(″)/s,证明了LSTM网络与RNN的可靠性。LSTM网络和RNN的3个欧拉角的预测精度分别达到了97.8%、99.7%、97.2%和95.2%、98.5%、95.8%,LSTM网络的预测精度更高。与DE421星历对欧拉角的预测结果进行比较,结果证明了LSTM网络预测精度更高。     

遥感制图与导航定位技术在嫦娥三号遥操作中的应用

系统介绍了嫦娥三号遥操作中基于影像的遥感制图与导航定位技术的应用方法。利用降落相机序列影像实现了嫦娥三号着陆器在嫦娥二号卫星影像上的高精度定位,并生成了着陆区高精度3维制图产品;利用导航相机立体影像生成巡视器周围地形产品,采用站间影像匹配定位和DOM匹配的方式实现了玉兔号月球车的连续高精度定位;将高精度的定位结果和制图产品应用于月球车遥操作任务规划中,为月球车的安全行驶和科学探测提供了精准的定位和3维地形信息。月球车月面巡视探测工作的顺利完成,验证了这些应用技术的可靠性。     

流动VLBI系统及其应用

本文首先探讨了影响流动VLBI系统性能及观测和解算精度的各种因素,提出了建立我国流动VLBI系统的一组参数指标;作为一个应用,探讨了用流动VLBI技术建立特级大地网对可能布设的全国GPS网的定向、尺度和定位控制与改善的情况。     

深空探测器同波束相位参考成图相对定位方法

针对我国后续深空探测任务中高精度相对定位需求,提出了采用天文同波束相位参考成图技术进行深空探测器相对定位的方法。首先建立适用于深空探测器信号特点的同波束相位参考成图相对定位模型,然后分析信号带宽和UV覆盖两个因素对测量精度的影响。最后利用我国VLBI观测网(CVN)在2013年15、20和21日接收的嫦娥三号着陆器和玉兔号巡视器下行同波束数据,处理得到了巡视器在5个环拍点相对着陆器的位置,验证了本文方法的可行性及其对探测器下行信号的强适应性。与视觉定位结果的对比表明,巡视器相对着陆器定位精度达到米级。     

VLBI在探月卫星定位中的应用分析

中国实施的"嫦娥"探月工程中,探月卫星的定轨测控系统由我国现有的S频段航天测控网(USB)和甚长基线干涉测量(VLBI)系统组成。系统中,VLBI技术主要为绕月卫星定轨提供卫星的角位置。本文分析了在探月项目中,VLBI单点定位的必要性。探讨了VLBI技术用于探月卫星单点定位的基本原理及其实现方法。通过算例对模拟数据进行处理,检验了方法的正确性。对结果进行分析,得出一些结论。     

VLBI技术测月的数学模型探讨

近年各国已纷纷制定测月计划,采用何种技术对月球进行定位,变得尤为重要。本文通过对VLBI技术特点进行分析,VLBI是目前大地测量中精度最高的技术手段,但只适用于深空探测,因为深空射电信号到达地面时,可看作平行信号。本文针对VLBI技术特点及数学模型,对存在不可忽略视差的VLBI测月模型,通过级数展开,解决月面射电信号到达地球时的视差问题,并顾及地球自转得出最终数学模型,通过站间一次差分消除钟差等影响,得出VLBI对近轨天体(月球)表面射电源定位的数学模型。     

利用VLBI观测量对月球天平动参数解算及着陆器定位和测速的改进

在嫦娥三号探月工程中,月球天平动参数是影响其着陆器定位精度的重要参数,研究月球天平动参数估计方法对于中国探月工程的发展具有重要意义。目前,月球激光测距（lunar laser ranging,LLR）是解算月球天平动参数的常用方法,该方法通过数值拟合将拟合系数放在历表文件中供用户读取。首先,基于差分甚长基线干涉测量技术（very long baseline interferometry, VLBI）解算月球物理天平动参数,其仿真结果表明,与DE421星历的插值结果对比,其欧拉角$\Omega$、$i$和$\mu$的改进值分别补偿至-0.692 4″、0.009 6″和-0.009 7″;然后,基于补偿后的月球物理天平动参数求解着陆器坐标和速度,结果显示,相比于补偿前, 着陆器在X、Y、Z方向的定位精度分别提高了24.204 m、0.405 m、1.996 m,速度误差的估计精度也分别提高了0.010 6 m/s、0.013 5 m/s、0.007 2 m/s。上述研究结果可为未来月球天平动参数解算的相关研究提供参考。     

Geospatial technologies for Chang’e-3 and Chang’e-4 lunar rover missions

ABSTRACT

This paper presents a brief overview of the geospatial technologies developed and applied in Chang’e-3 and Chang’e-4 lunar rover missions. Photogrammetric mapping techniques were used to produce topographic products of the landing site with meter level resolution using orbital images before landing, and to produce centimeter-resolution topographic products in near real-time after landing. Visual positioning techniques were used to determine the locations of the two landers using descent images and orbital basemaps immediately after landing. During surface operations, visual-positioning-based rover localization was performed routinely at each waypoint using Navcam images. The topographic analysis and rover localization results directly supported waypoint-to-waypoint path planning, science target selection and scientific investigations. A GIS-based digital cartography system was also developed to support rover teleoperation.     

嫦娥-3号月面巡视探测器立体相机的控制场检校

嫦娥-3号月面巡视探测器安装了一对导航相机、一对全景相机和一对避障相机,对这3对立体相机的检校是实施月面巡视探测器导航定位和地形恢复的基础。通过建立高精度的控制场,采用附有约束条件的间接平差方法,对嫦娥-3号月面巡视探测器的立体相机进行高精度的检校。试验表明,该方法能够提高相机检校的精度和稳定性。     

嫦娥三号导航相机测图能力分析及地形重建

基于立体相机成像模型并结合相机参数对嫦娥三号导航相机3维测图能力进行分析,利用摄影测量原理和误差传播定律对巡视器30 m范围内的DEM精度进行了理论分析,推导出导航相机立体影像获得的采样点精度公式,并绘制了DEM的平面精度图和高程精度图;同时使用多线程技术开发了基于导航相机立体影像的地形快速重建算法,利用多线程技术完成影像的特征匹配和密集匹配,并通过分块内插生成DEM。该技术应用于嫦娥三号任务中,有力地支持了嫦娥三号遥操作路径规划相关任务。     

空间大地测量新技术及应用

随着空间及卫星定位技术的飞速发展,各种空间定位技术及应用也愈来愈多。简要介绍了甚长基线干涉测量(VLBI)技术、激光测月(LLR)技术、卫星激光测距(SLR)技术、卫星雷达测高技术、多普勒定轨和无线电定位系统(DORIS)、精密测距及其变率测量系统(PRARE)以及合成孔径雷达干涉测量(InSAR)等空间定位测量技术,重点阐述了GPS新技术及应用。     

同波束VLBI测量下的天问一号火星车定位及精度分析

针对中国天问一号火星探测任务中的火星车定位问题,进行了相关方法的研究和精度分析。根据现有测控条件,考虑到火星车无地面测距数据,提出了利用轨道器和火星车的同波束甚长基线干涉测量（same-beam very long baseline interferometry,SBI）数据对火星车进行定位的方法。由于利用SBI联合轨道器测距数据无法在定轨定位的同时解算差分相时延模糊度,分析了在固定轨道器的轨道情况下,仅利用SBI数据进行火星车定位。结果表明,火星车定位误差随着轨道器的轨道精度提高而减小,如果轨道器的轨道精度从1 km提升到100 m或10 m,6 h SBI数据可以将火星车定位精度提高到数百米,同时,增加数据弧段可进一步提高定位精度,当对着陆器高程方向进行约束时,定位精度会有明显改善。