一种小天体旋转参数估计方法

小天体旋转参数是科学数据，也是小天体测绘，着陆导航的基础数据.研究一种在小天体探测接近段过程中使用的基于图像上特征点跟踪和扩展卡尔曼滤波器的小天体旋转参数估计方法.该方法首先建立小天体旋转关系模型，表示小天体在相机坐标系中的姿态变化；然后定义小天体旋转的状态方程，推到了扩展卡尔曼滤波器的计算过程.通过对观测图像序列上的特征点跟踪，利用扩展卡尔曼滤波器方法得到小天体旋转轴指向和自转角速度估计.实验中，在仿真相机与小天体相机100 km距离上，分析了相机坐标系小天体坐标系之间的四元数初值，图像上特征点跟踪精度，相机的观测指向等因素对小天体旋转参数估计精度的影响.实验结果表明，提出的基于图像特征点跟踪和扩展卡尔曼滤波器的小天体旋转参数估计方法能够得到具有较高精度的估计结果.     

基于星图匹配的小视场空间图像畸变校正

小视场星载相机受发射振动和空间环境等影响,会使所拍摄的空间图像产生畸变,并且畸变模型和参数也时有变化.针对小视场空间图像所含恒星点相当稀少的特点,提出一种基于Hausdorff距离多帧星图匹配的空间图像畸变校正方法,利用恒星点作为控制点实现畸变参数的计算.针对卫星姿态漂移所造成的相机光轴指向系统误差对校正的影响,给出一种自适应补偿方法.仿真实验结果表明,该方法计算量小、精度高,能够有效抑制图像噪声和输入误差的影响.      

基于单幅立式标靶图像的单目深度信息提取

针对在智能车中车载单目视觉系统已经检测到路面障碍物的情况下,计算障碍物相对于本车的距离问题,提出了一种仅利用单幅标靶图像且无需相机内部参数的图像深度信息提取方法．该方法利用一种放置于相机前方的立式标靶,建立图像纵坐标像素与实际成像角度之间的映射关系,结合投影几何模型实现实时深度信息的提取．依据立式标靶图像的特点,设计了包括标靶图像感兴趣区设置、模板匹配、候选点聚类、筛选及精确定位等处理的亚像素级角点检测及定位算法．实验结果显示,该方法具有较高的测量精度及实时性．相对于在路面摆放参照物的方法,该方法无需大标定场地且规避了数据拟合引起的误差．同时该方法标定只需一幅图像,过程简单,便于实际应用．      

基于图像模拟的HJ星CCD相机交叉定标

针对同一HJ-1星的两台CCD相机,提出基于图像模拟的交叉辐射定标方法:通过建立两台CCD相机图像DC值的数学关系,以获取地面目标图像的已定标的CCD为标准对未同时获取图像的待定标的CCD进行交叉定标,得到了2008年10月A2CCD和B2CCD的定标系数.利用贡格尔场野外实验数据和敦煌场的MODIS数据对定标系数进行真实性检验,并对该方法的主要误差来源进行了分析.结果表明,交叉定标具有较高的精度和可信度,可以在保证定标精度的同时,提高定标的频次.     

基于图像模拟的HJ星CCD相机交叉定标

针对同一HJ-1星的两台CCD相机,提出基于图像模拟的交叉辐射定标方法:通过建立两台CCD相机图像DC值的数学关系,以获取地面目标图像的已定标的CCD为标准对未同时获取图像的待定标的CCD进行交叉定标,得到了2008年10月A2CCD和B2CCD的定标系数.利用贡格尔场野外实验数据和敦煌场的MODIS数据对定标系数进行真实性检验,并对该方法的主要误差来源进行了分析.结果表明,交叉定标具有较高的精度和可信度,可以在保证定标精度的同时,提高定标的频次.     

一种双目立体视觉相机标定方法

研究一种基于特殊标定场的双目立体视觉相机标定方法．对相机的内外参数进行精确地标定,然后利用标定参数进行图像校正．实验表明,采用该方法左右相机图像的极线误差不大于0．26pixel,能够达到较理想的标定结果．该方法可用于月球车双目立体视觉相机标定系统中．     

基于深度神经网络的像素级别可见光图像配准

现有图像配准算法中,借助图像采集设备参数的方法存在硬件内参难以获得或精度不够的问题,采用匹配图像特征计算图像单应性的方法存在对场景深度信息利用不全的问题。针对这一现象,提出了结合可见光图像与其深度信息来生成更具有真实性的配准图像对数据,用以训练得到一个可以进行像素级别图像配准的深度神经网络PIR-Net。建立了一个大规模、多视角、超仿真的图像配准数据集:多视角配准(MVR)数据集,该数据集包含7 240对含有深度信息的待配准图像及其像素级别的坐标对准真值;基于编码器-解码器的深度神经网络结构,训练得到一个能以全分辨率形式对2幅输入图像之间的坐标变化矩阵进行重建的PIR-Net。通过实验验证了PIR-Net能够在未知相机内参的情况下实现不同视角的可见光图像配准,并比传统算法具有更高的配准精度。在MVR数据集上,PIR-Net的配准误差仅为通用的特征匹配对准算法(SIFT+RANSAC)的18%,同时减少了30%的时间消耗。      

太阳X-EUV成像望远镜的移动补偿系统

卫星帆板转动和自身颤动会导致太阳X射线-极紫外射线(X-EUV)成像望远镜的成像质量下降.用移动补偿系统控制相机的CCD驱动器,使势阱转移到相邻相的位置上,转移的方向正好与图像在传感器上移动方向一致,使得图像的每个光子在移动后仍然落入传感器的同一个势阱内,补偿由于帆板移动造成的图像偏移.CCD相移沿列的方向进行,而CCD的列平行于东西向.高精度太阳敏感器使用两轴直角坐标来定位太阳的位置.移动补偿系统只使用其中一个轴向数据,由于南北指向误差远远小于东西指向,因此不对南北指向补偿.该移动补偿系统利用高精度太阳敏感器构成半闭环控制系统,通过偏移CCD势阱来实现一个方向上的移动补偿.该方案可以在不增加成本的前提下,消除长时间曝光过程中的太阳的平移和帆板颤动对图像质量造成的影响,扩大动态观测范围.      

一种地外天体路标图像的稀疏化表征方法

摘要： 针对用于地外天体着陆视觉导航的路标图像信息存在的计算量大和占用存储空间大等问题,提出一种路标图像的稀疏化表征方法.引入着陆路标图像的尺度估计和尺度变换,采用Harris 算法提取路标特征点,改进了FREAK特征描述子用以稀疏化表征天体路标信息;并针对图像旋转、尺度变化、图像噪声和尺度估计误差4种外界干扰,仿真对比改进算法与原FREAK算法、SURF算法的性能.仿真结果表明：提出的算法大幅减少计算量和特征描述子所占用的存储空间,同时能够正确匹配到更多的路标特征,鲁棒性更好,更适合地外天体着陆任务应用.     

基于小波域清晰度评价的光场全聚焦图像融合

传统全聚焦图像融合以相机多次曝光拍摄的多聚焦图像为基础,光场相机在单次曝光后可计算空间任意深度的重聚焦图像,为后期全聚焦图像的获取提供便利。提出了一种基于小波变换的光场全聚焦图像获取算法,可有效避免传统空域图像融合算法的块效应,获得较高质量的全聚焦图像。该算法通过对微透镜阵列光场相机获得的4D光场数据进行空间变换与投影,得到用于全聚焦图像融合的重聚焦图像,对各帧重聚焦图像进行小波分解提取高、低频子图像集,提出区域均衡拉普拉斯算子、像素可见度函数分别构建融合图像的高、低频小波系数实现图像融合,其性能优于传统的区域清晰度评价函数。实验验证了所提算法的正确性和有效性,采用Lytro光场相机的原始数据计算了融合全聚焦图像,与传统图像融合算法相比,人眼视觉效果更好,客观图像指标也得到了提高。      

地月平动点中继应用轨道维持

地月平动点中继应用轨道对于月球背面探测具有十分重要的应用价值,由于地月平动点的不稳定性,必须进行轨道维持。文章研究了真实力模型下月球平动点中继应用轨道的维持。首先,基于限制性三体问题下平动点轨道的运动特性,研究了平动点轨道维持的数学模型与维持策略,提出了平动点轨道维持的连续环绕控制方法,并给出了轨道维持的Halo和Lissajous两种控制方式;其次,充分考虑各天体和光压摄动下,采用数值手段研究了不同幅值的地月平动点周期中继应用轨道的维持间隔与速度增量等。研究结果表明:Lissajous控制方式适用于月球平动点中继应用轨道的维持,在给定测控精度条件下,维持间隔约7.4d,速度增量优于20m/s/a。该方法已经成功应用于我国"嫦娥2号"日地平动点任务和"嫦娥5T1"地月平动点任务并获得了良好的控制效果,还可直接应用于我国未来"嫦娥4号"等月球背面探测任务。     

一种基于星载GPS的月球探测器导航算法

为验证GNSS旁瓣信号对中高轨航天器在轨飞行的导航支持能力,"嫦娥5号"飞行试验器搭载了GPS导航接收机。由于目前使用的星载导航解平稳性不够,为此,根据月球探测器不同飞行段落轨道动力学特性,建立了一种基于星载GPS数据的月球探测器实时导航算法。该算法充分考虑了月球探测器不同段落的动力学特性,基于UKF滤波设计,并引入了自适应策略,以降低滤波参数选取的难度。在分析星载GPS数据特点基础上,月地返回段实测数据的处理结果验证了算法的可行性和有效性。     

中国月球与深空探测有效载荷技术的成就与展望

有效载荷是实现科学目标最直接的工具,其技术手段和水平影响科学目标的可实现程度。简要回顾了中国月球与深空探测的科学目标与有效载荷配置。介绍了"嫦娥1号"和"嫦娥2号"月球环绕探测器中采用的CCD立体相机、干涉式成像光谱仪、激光高度计、微波探测仪、伽马射线谱仪、X射线谱仪、太阳风粒子探测仪、高能粒子探测仪等遥感探测类有效载荷的技术实现、探测结果和取得的成就。同时,也介绍了"嫦娥3号"月球着陆器和巡视器中采用的地形地貌相机、月基光学望远镜、极紫外相机、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪、测月雷达等就位和巡视探测类有效载荷的技术实现、探测结果和取得的成就。分析了有效载荷技术的发展趋势,展望了我国未来有效载荷技术的发展。     

我国探月工程技术发展综述

我国的探月工程,在2020年前分“绕、落、回”三步实施。本文以我国探月工程各次任务为脉络,针对目前已经完成的“嫦娥1号”“嫦娥2号”“嫦娥3号”及“嫦娥5号”高速再入试验任务,简述了工程和科学目标,介绍了实施效果,总结了主要技术成就。在此基础上,展望了探月工程未来的发展趋势,给出了月球后续任务的总体思路和框架。     

“嫦娥三号”探测器软着陆自主导航与制导技术

"嫦娥三号"探测器首次实现了我国航天器在地外天体软着陆,制导导航与控制技术是软着陆任务成功的关键。针对高安全和高可靠软着陆任务的要求,设计了包含接力避障的软着陆飞行程序,提出了单波束分时修正与多波束融合修正的自主导航方法和自适应动力显式制导、无迭代多项式粗避障制导以及内外环结合的精避障制导等方法。实际在轨飞行结果表明,导航算法提供了高精度的状态估计,制导算法实现了高精度状态控制和有效避障机动,确保了软着陆落月的安全性和可靠性。     

月球背面地形对软着陆探测的影响分析

相对于月球正面大面积平坦的月海区域,月球背面地形整体崎岖复杂,因此地形地貌的变化会对探测器的软着陆探测产生一定的影响。从任务设计、着陆器设计和月面工作程序3个方面分析了"嫦娥4号"着陆区南极–艾特肯盆地(South-Pole Aitken Basin,SPA),及其相对于"嫦娥3号"着陆区的变化,主要结论包括:1)着陆区范围缩小,由"嫦娥3号"着陆区经度范围16.4°和纬度范围3°,减小到经度范围约4°和纬度范围约2°;2)动力下降策略更改,动力下降过程主减速段结束后,着陆器由斜向前运动轨迹改为接近垂直向下运动轨迹,同时更改测距敏感器的引入时机;3)提高微波测距测速敏感器信号发射功率和信噪比;4)着陆后需要预测着陆器的光照和测控被地形遮挡的情况,然后制定如休眠或月食模式等相应策略等。通过以上优化设计,"嫦娥4号"任务可适应月球背面地形地貌的变化,有效降低着陆过程和月面工作的风险。     

基于同波束干涉的空间三维相对位置测量研究

针对深空探测器相对位置精确测量需求,建立了空间三维相对位置测量模型,研究了基于单基线同波束干涉测量(Same-beam VLBI,SBI)的空间三维位置最小二乘解算方法。利用"嫦娥3号"着陆器的测控天线与定向天线的SBI实测数据,验证了测量模型与解算方法的有效性。结果显示:SBI干涉时延随机误差约0.225 ps(0.07 mm);测控天线与定向天线之间距离误差约0.216 m,方向误差约30.4°。该研究结果有望应用于后续深空探测任务譬如"嫦娥5号"器间高精度相对测量中。     

“嫦娥4号”任务有效载荷系统设计与实现

"嫦娥4号"任务将首次实现人类在月球背面软着陆。通过分析任务特点,以多类型有效载荷配置为背景,介绍了以科学目标和探测任务为核心的有效载荷系统设计思路和实现方法。同时针对首次在深空探测领域搭载国际合作有效载荷项目情况进行了说明。"嫦娥4号"任务最重要的科学目标是利用月球背面洁净的电磁环境进行天文低频射电观测,因此分别在着陆器和中继星上新增配置了国内新研制的低频射电频谱仪及荷兰研制的低频探测仪。科学探测的太阳爆发产生的低频电场信号极其微弱,如何消除着陆器和中继星上其他电子设备发射的近场噪声对远场探测信号的干扰就成了本次任务的最大难点。在相关研制单位的多方努力下,通过优化接收天线设计和地面数据处理算法等多种手段,实现了低频探测信号不低于30 d B的噪声抑制性能,具备了实现科学目标的能力。     

“嫦娥4号”中继星使命轨道段定轨计算与分析

"嫦娥4号"中继星是"嫦娥4号"探测器实现月球背面着陆与巡视的关键,目前正稳定运行在地-月L2点使命轨道上,该使命轨道为平均周期约14天的南族Halo轨道。因任务的需要,中继星本体系+Z轴需调整指向,处于正对太阳和非正对太阳两种状态。太阳光压在中继星+Z轴对日的情况下会加速卫星的角动量累积,增加卫星卸载喷气频次。基于中继星使命轨道段测控支持条件,采用重叠弧段法对两种状态下的中继星定轨精度进行分析与评估。结果表明,在中继星+Z轴非对日运行状态下,重叠弧段位置误差为1.6 km,速度误差为8 mm/s;在中继星+Z轴对日运行状态下,重叠弧段位置误差为0.6 km,速度误差为3 mm/s,这对中继星的长期运行具有重要参考价值。     

深空探测器大口径天线指向在轨标定方案

基于深空探测器配备的大口径天线的指向精度要求,给出了一种深空探测器大口径天线在轨指向的标定方案,以解决深空探测器安装的大口径天线的在轨指向评价问题。通过对飞行器特点和约束条件的分析,结合"嫦娥4号"中继星天线的具体情况,采用星地协同工作的方法,给出了天线指向在轨标定的方案,并明确了标定的实施流程,最后对标定过程中的误差情况进行了分析。本方案可推广应用于其他深空探测器大口径天线指向标定方案的设计。