测日天文导航理论及技术研究

<正>美国国家航空航天局(NASA)勇气号(Spirit)、机遇号(Opportunity)和好奇号(Curiosity)火星车分别于2004年1月4日、2004年1月25日和2012年8月6日登陆火星,并成功开展科学考察工作,取得了一系列重大发现,包括火星表面过去存在液态水的证据。机遇号火星车已在火星表面服役12年,行驶距离超过42.195km,高精度的火星车定位技术对火星车的安全行驶和科学目标的实现发挥了重要作用。由于火星上没有类似于GPS的设备,且     

火星车定位与制图技术现状以及对发展中国月球车/火星车定位制图技术的建议

根据在美国研究和开发高精度火星车定位与制图技术的研究经验、以及参加勇气号和机遇号火星车任务超过4 年的业务化运行工作经验, 总结了目前国际上火星车导航定位和制图技术的现状, 对中国即将开展的月球车和火星车登陆任务在导航定位和制图方面提出建议。     

谁将是下一个火星大国

因为2003年火星和地球最近距离“亲密接触”，欧洲的“猎兔一号”，美国的“勇气号”和“机遇号”等火星探测器都抓紧契机相继升空，日本也在加紧研制“希望号”，估计2003年12月至2004年1月期间，火星周围将出现“太空堵塞”。到时人们对火星的观测知识必将进一步提高。而中国目前虽然还没有向火星发射探测器，但据齐锐等天学专家说，按科研实力来讲等时机成熟（忙完“登月”），中国必将是下一个“探测火星大国”！     

一种改进的火星车多光谱影像深度新颖目标探测方法

火星车（即巡视探测器）是对火星表面探测和科学研究的重要手段。针对火星车采集到的日益增长的遥感数据,亟需一种能够智能化地从海量影像中探测出有科学价值的新颖目标的方法。传统的新颖探测多采用基于距离测度和基于影像重建的方法,其中基于距离测度的方法逐像素计算新颖分数,未考虑空间上下文信息;基于影像重建的方法侧重对典型地貌背景进行重建,新颖性表现为影像重建误差,对小型新颖目标如钻孔、除尘点等提取效果不佳。提出一种改进的火星车多光谱影像深度新颖目标探测方法(convolution auto-encoder combined Mahalanobis distance method, CAE-M),利用全卷积自编码神经网络提取深层特征进行典型地貌重建,并联合马氏距离将新颖目标与典型地貌背景分离,充分挖掘空间维与光谱维特征,提高火星车新颖目标探测结果的准确性。实验采用好奇号火星车多光谱影像数据集,在盖尔撞击坑地表采用Reed-Xiaoli探测器、主成分分析、卷积自编码神经网络、生成对抗网络与CAE-M进行对比实验,结果表明,CAE-M在探测精度和可视化解释上均优于对比方法,在不同类别的新颖目标探测上都有着均衡稳定的表现。     

如何进行火星观测？

中国目前还没有向火星发射探测器，仍停留在借助高端天望远镜观测的水平上。但据《星光快讯》的主办齐锐讲，目前观测也只是针对火星某一局部区域的探测，如美国宇航局是向火星的“古谢夫环形山”投射“勇气号”的，它只能对此区域附近的环境进行仔细的探测。而在地球表面借助天望远镜进行观测，能对火星的宏观大环境有个总体把握，知道星球的季节变化，极冠变化和地貌整体变化等信息。     

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。     

“祝融号”火星车多光谱相机岩矿类型识别的地面验证研究

中国首个自主火星探测任务“天问一号”探测器于2020-07成功发射,其搭载的中国首台火星车“祝融号”将在着陆火星后开展巡视探测,获取中国火星探测的原始科学数据。识别火星表面岩矿类型对于了解火星的大气变化、环境状态、地质演化以及生物宜居性等具有重要意义。本研究利用“祝融号”火星车搭载的多光谱相机载荷鉴定件（8个波段）在地球环境下拍摄并获取了18种火星表面岩矿的多光谱影像数据。基于该数据所开展的火星岩矿类型的识别研究可为未来基于“祝融号”多光谱相机数据进行火星表面岩矿的原位识别提供指导。本文所采用的基于多光谱影像波段运算和彩色图像HSV颜色特征直方图的岩矿识别方法,可从多光谱特征和颜色特征两个层面来识别不同类型的岩矿。所使用的多光谱影像数据是在太阳高度角约60°、拍摄高度1.8 m、拍摄角度约37°的条件下采集所得。在该实验条件下,两种识别方法共提取出12种岩矿的识别指标。基于多光谱影像波段运算可以区分出在8个特定波段下具有突出光谱特征的岩矿类型,而基于图像HSV颜色特征可区分出颜色特征分布较为集中的岩矿类型。同时,研究发现拍摄角度不同会对岩矿的识别效果产生不可忽略的影响。     

火星地形测图

火星地形数据是火星探测的基础数据,从登陆点的选择到表面形态学的定量分析,从火星漫游车的行进到火星物质采掘都离不开影像和三维地形数据。本文论述了火星地形测图的最新进展,分析了火星全球勘探者、火星快车、火星勘测轨道器等环火星轨道器的测图传感器性能、数据处理技术以及火星地形测图产品,指出了火星地形测图未来发展的一些趋势。     

“火星快车”出发

2003年底或2004年初，我们将会看到一个真实的科学“入侵”火星的情景——届时将会有不少于6艘的国际性宇宙飞船会聚火星，对这颗被认为是太阳系中惟一有较大可能发现过去或现在存在生命的星球，展开前所未有的探测。“火星快车”——欧洲航天局(ESA）     

“祝融号”火星车立体视觉系统的几何自检校EI北大核心CSCD

“祝融号”是我国首个成功在火星表面开展巡视探测的火星车。为了确保火星车遥操作任务精准的实施,需要对立体视觉系统实施自检校。本文提出了附有立体约束和桅杆机构运动约束的联合平差自检校模型。经过模拟试验证明本文提出的自检校方法具有较高的视觉定位精度。在火星真实试验中,获得检核点中误差的平均值为12.3 mm。有效保障了“祝融号”火星车精准地完成遥操作任务。     

火星表面含水矿物探测进展

火星表面含水矿物类型识别和空间分布特征研究对圈定火星表面生命活动有利区域和探索可能存在的火星生命形式具有重要科学意义。本文总结了20世纪90年代以来火星表面含水矿物的探测进展,从火星轨道器光谱仪遥感探测、着陆器和巡视器就位探测两方面介绍了矿物探测使用的数据源,重点阐述了目前火星表面已经探测到的各类含水硅酸盐矿物、硫酸盐矿物、碳酸盐矿物、氯盐及高氯酸盐矿物等含水矿物的光谱特征、矿物具体类别及分布特征,分析了火星表面含水矿物定量反演的主要方法与地质意义。最后从比较行星学角度倡议开展地球和火星含水矿物形成环境和形成过程的类比研究。     

天问一号拓展任务对火星低阶重力场解算的潜在贡献分析

天问一号是中国首次独立开展的行星际探测任务,实现了对火星的环绕、着陆、巡视探测。天问一号正常科学任务阶段环绕以极轨设计为主,与历史火星任务类似,对当前火星重力场模型精度改进有限,因此其拓展任务轨道选取至关重要。通过对极轨圆轨道和近赤道大偏心率轨道进行仿真模拟,分析两种典型轨道构型对现有火星重力场模型改进的可能性,基于不同误差考量仿真解算了对应6个重力场模型。借助重力场功率谱分析,发现在测量噪声为0.1 mm/s的情况下,不论采用极轨还是近赤道轨道,一个月的跟踪数据均可较好地反演出42阶次的火星重力场模型;考虑综合误差影响之后,发现两种轨道对于重力场解算精度类似,其中实施近赤道大偏心率轨道对35阶次以上约束略强。     

火星形貌摄影测量技术研究

火星形貌测绘是火星探测的基本任务,高精度的火星形貌数据是火星探测器着陆区选址以及着陆器自主导航的重要保障。火星探测工程不能利用 GNSS 等手段对探测器进行精密定轨,无控制点数据辅助定位,且火星表面影像纹理信息贫乏,导致火星形貌测绘面临许多难题。本文对火星形貌摄影测量涉及的探测遥感影像几何处理、火星表面影像与激光测高数据联合平差、火星表面影像密集匹配以及火星形貌 DEM的自动提取等技术进行了研究。论文主要研究内容与结果如下。     

基于MGS测图段部分弧段的精密定轨及火星重力场模型解算

火星探测器精密定轨关联到火星探测任务的成功实施并为其科学目标的顺利完成提供保障,火星重力场研究除了为精密定轨服务外,还是进行火星内部结构、火星表面质量迁移及火星形成和演化的重要约束条件。基于火星探测器精密定轨及火星重力场研究的重要意义,本文利用MGS（Mars Global Surveyor）测图任务阶段近两个月的轨道跟踪数据进行了解算分析,对精密定轨结果进行了精度评价。在此基础上,进行了火星重力场模型解算,通过轨道残差、火星自由空气重力异常等方式对解算模型进行了精度评价,结果表明解算模型合理。这一研究为我国即将发射的火星探测计划“萤火一号”轨道跟踪数据用于火星重力场研究打下了基础。     

火星探测巡航段与捕获段光学自主导航方案与关键技术

火星探测是国家深空探测重大专项的重要组成部分,无线电导航受通讯延时与天体遮挡等问题的影响,在导航精度和实时性方面存在问题。光学自主导航作为对地面无线电导航的重要辅助,是火星探测任务顺利完成的重要技术支撑。针对火星探测任务,设计了火星探测巡航段与捕获段的导航方案,并对两个阶段中光学自主导航的关键技术进行了总结与研究,为进一步利用深空天体摄影测量的理论与方法深入开展火星探测光学自主导航关键技术的研究提供参考。     

双月纪事

Google登陆火星2006年3月13日,在纪念文学家罗威尔(Percival Lowell)诞辰的这一天,Google正式发布了Google Mars(Google火星),把地球搜了个够的Google终于开始搜索这颗红色星球了。Google所使用的火星地图全部来自于美国国家宇航局“火星奥德赛”号探测器、“火星全球调查者”号探测器所拍摄的图片。3月10日,美国国家宇航局的“火星勘测轨道飞行器”已成功进入环绕火星的大椭圆轨道,人类火星探测史上又增加了一颗火星人造卫星。值得一提的是,它获得的数据最终将同Google火星结合在一起。这次推出的Google Mars(Google火星)要比先前推…     

“萤火一号”火星探测计划进展和Mars-SST火星卫星重力测量计划研究

本文回顾了国际火星探测计划的历史进程和科学意义,介绍了中国"萤火一号"火星探测计划的基本参数、发射过程、科学目标、核心载荷和关键技术,并且提出了中国将来Mars-SST火星卫星重力测量计划的实施建议:①基于探测精度较高、技术需求较少、测定速度较快、定轨要求较低、可借鉴GRACE的成功经验等优点,采用SST-LL-Doppler-VLBI系统观测模式;②先期开展高精度激光干涉星间测距仪、非保守力补偿系统等关键载荷和地面Doppler-VLBI系统的研制;③卫星轨道高度和星间距离分别设计为50～100 km和100±50 km;④先期开展仿真模拟研究。     

基于OMEGA影像火星北极冰盖季节性变化监测

火星两极冰盖每年季节性消融的空间范围变化是火星全球及区域气候变化最直观的反映,针对火星冰盖监测提出了一种利用欧空局火星快车搭载的OMEGA高光谱成像数据提取季节性冰盖消融线的方法。基于28至29火星年覆盖火星北半球6个时段的OMEGA红外波段影像,利用监督分类方法辨别冰层与裸地,以提取季节性冰盖的边界,计算了火星北半球季节性冰盖消融速度,并利用高分辨率HiRISE数据验证了本文研究方法的正确性。研究结果表明,火星北极季节性冰盖的消融速度是每隔太阳经度(LS)10°冰层消融106km2;通过对比MOLA激光高度计数据和地形数据,发现局部区域冰盖消融异常原因主要为撞击坑引起的地形变化所致。     

行星遥感影像目标识别与分类进展

从行星遥感海量数据中对地形地貌特征进行识别和分类,是行星科学研究中的一项重要基础工作.本文综述了自实施月球和深空探测任务以来,国际、国内采用行星影像数据进行地形地貌识别与分类技术的研究进展.首先,从月球、火星以及其他行星探测任务3个方面,对相关的探测任务和获取的影像数据进行简介.然后,在介绍通用目标识别与分类方法研究进...     

我国火星探测器遥控跟踪网效率分析

火星探测一直是深空探测的热点问题.根据我国火星探测器"萤火一号"在发射过程中所经历的不同轨道高度,研究我国遥控跟踪网对其的覆盖区域.另外,选取一组具体的火星探测器的轨道参数,研究我国观测网对该探测器的遥控跟踪效率,并给出结果.