基于多源影像的“祝融號”火星車高精度定位

王 鎵，李達飛，何錫明，成子青，許 倩，錢雪茹，萬文輝

（1.北京航天飛行控制中心，北京 100094；2.中國科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100101）

引 言

2021年5月15 日，中國“祝融號”火星車成功登陸火星北半球烏托邦平原，首次獨立在一次任務(wù)中成功實現(xiàn)了“繞、落、巡”探測目標(biāo)[1]，成為第二個有火星車成功登陸火星的國家。截至2021年8月15日，“祝融號”火星車已在火星表面運行滿90個火星日，共獲取約10 GB原始數(shù)據(jù)，圓滿完成既定的巡視探測任務(wù)[2]。

火星車在火星表面進行科學(xué)探測，火星車的移動控制離不開導(dǎo)航定位技術(shù)的支持。精確地獲得火星車的位置和姿態(tài)信息，不僅可以掌握火星車的狀態(tài)確保其安全，還可以使火星車與地面測控站的通信天線具有更高的指向精度，減小增益損失；同時還能夠為地面的遙操作規(guī)劃提供重要的數(shù)據(jù)支持。由此看來，高精度的導(dǎo)航定位技術(shù)，對于確?；鹦擒嚢踩煽垦惨?，完成既定的科學(xué)探測任務(wù)具有重要的應(yīng)用價值。

以火星為代表的深空環(huán)境，沒有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System, GNSS）等直接定位信號。因此，需要依靠車載傳感器（例如慣導(dǎo)、里程計及視覺相機等）實現(xiàn)自主定位[3]。但是，隨著行駛距離增長，自主定位的累積誤差不可避免。為降低定位累積誤差對后續(xù)任務(wù)的執(zhí)行風(fēng)險，還需引入其它多源影像數(shù)據(jù)（例如軌道器影像），通過多源數(shù)據(jù)協(xié)同處理的方式來修正自主定位的累積誤差[3]。

火星車的定位方法可分為絕對定位和相對定位兩種。絕對定位是通過外部觀測物體如星辰、軌道器等來確定火星車在火星的絕對位置（經(jīng)度、緯度和高度）的方法。目前任務(wù)中，火星車絕對定位方法有如下幾種。①無線電定位技術(shù)。借助中繼探測器（環(huán)繞器或著陸器），根據(jù)無線電信號的多普勒頻移來確定火星車在火星慣性參考系中的位置[4]。通過多次重復(fù)觀測，在慣性系的定位精度可達1～10 m[5]，轉(zhuǎn)換至火固系，轉(zhuǎn)換精度為±250 m[5]。文獻[6]結(jié)合中國首次火星探測任務(wù)特點，初步分析使用無線電技術(shù)對火星車進行定位，精度可優(yōu)于10 km。②基于控制信息的圖像定位技術(shù)。利用高分辨率衛(wèi)星圖像作為底圖，將火星車圖像產(chǎn)生的正射影像同衛(wèi)星圖像疊加對比來確定火星車的位置[4]。文獻[7]提到，該方法的定位精度可達優(yōu)于軌道器影像1個像素。③基于位置圓的定位技術(shù)[6]。通過測定自然界中的天體位置來求解位置圓方程來實現(xiàn)絕對定位[8-9]。定位精度主要受限于敏感器（太陽敏感器和加速度計）測量誤差。假定敏感器測量誤差為0.1°，則定位精度不超0.2°，若火星半徑取3 400 km[10]，反映到距離上的定位精度約為12 km[5]。相對定位則是通過車載儀器設(shè)備如慣性導(dǎo)航器件、里程計、立體相機等來確定火星車相對于起始點的位置。相對定位都是通過遞推實現(xiàn)的，行駛過程中缺乏外部控制信息校正，因而會存在累計誤差。目前，已應(yīng)用于火星車的相對定位方法有如下幾種。①航跡推算法。基于里程計和慣性導(dǎo)航器件來計算火星車的位置和姿態(tài)，是一種器上實時自主定位方法[4]。缺點是在長距離定位時會隨時間累積及車輪打滑而產(chǎn)生較大誤差?！坝職馓枴保⊿pirit）和“機遇號”（Opportunity）火星車的設(shè)計精度為行駛距離的10%[11-12]。②視覺測程法?；诨鹦擒囘B續(xù)拍攝的立體相機像對在二維影像平面和三維地面空間追蹤特征點并估計相對的位置和姿態(tài)來實現(xiàn)實時定位[13]。為了保證前后立體像對間有較大的重疊和較小的目標(biāo)形狀變化，一般要求拍攝間隔不超過75 cm，成像方位角的變化不超過18°[14]。受車載計算機處理能力的限制，僅用于部分短距離路徑上的局部定位（一般小于15 m）[15]。③光束法平差定位。將火星車在不同位置拍攝的立體像對連接起來構(gòu)成影像區(qū)域網(wǎng)，通過攝影測量光束法平差來提高影像位置和方位參數(shù)以及火面相關(guān)點位置的精度和一致性，從而實現(xiàn)火星車的長距離高精度定位。在“火星探測器漫游者”（Mars Exploration Rover，MER）的測試精度可達到移動距離的2%[16]。

中國“祝融號”火星車在完成“著巡合影”后，單日移動距離由10 m拓展至約20 m。另外受傳輸帶寬限制，一般來說火星車僅利用導(dǎo)航地形相機拍攝前進方向90°范圍的影像，在行駛途中僅拍攝當(dāng)前航向45°范圍的影像。因此，給基于視覺的火星車高精度定位帶來了不少挑戰(zhàn)。本文詳細介紹了基于多源影像的“祝融號”火星車高精度定位方法。在初始著陸火面階段，利用環(huán)繞器高分相機（High Resolution Imaging Camera，HiRIC）影像、降落影像與火星車導(dǎo)航地形相機圖像進行了由粗至精的著陸點定位；后續(xù)以著陸點位置為基礎(chǔ)，利用視覺的方法實現(xiàn)了火星車各站點的連續(xù)穩(wěn)健定位。

1 多源影像和定位方法

1.1 火面多源影像

火星表面大范圍、高分辨率的軌道器影像產(chǎn)品不僅對預(yù)選著陸區(qū)的觀測和后續(xù)任務(wù)規(guī)劃十分重要，而且還是火星車初始（即探測器著陸點）定位的基準(zhǔn)底圖。中國“天問一號”環(huán)繞器搭載的HiRIC相機，以線陣推掃方式在一般區(qū)域可獲取優(yōu)于2.5 m/像素的全色光學(xué)圖像，在重點區(qū)域可達0.5 m/像素[17]；在近火點以多軌方式獲取了幅寬約為9 km的預(yù)選著陸區(qū)影像，最終，中國科學(xué)院國家天文臺月球與深空探測中心生成了高分辨率的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）。美國火星偵查軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）的高分辨率成像科學(xué)實驗相機（High Resolution Imaging Science Experiment，HiRISE）影像分辨率較高，約為0.25 m/像素[18]，但不是全球覆蓋。美國國家航空航天中心（National Aeronautics Space Administration，NASA）戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）及相關(guān)團隊制作了分辨率為128像素/（°）（赤道上相當(dāng)于463 m/像素）的火星全球DEM[18]。中國高分影像的產(chǎn)品結(jié)果與MRO搭載的背景相機（Context Camera, CTX）和火星軌道激光測高儀（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）的一致性較好。與CTX二維位置的均方根偏差約為15 m ，與MOLA高程方向的均方根偏差約為10 m[19]。本文以“天問一號”探測器HiRIC影像的DOM和DEM作為基準(zhǔn)底圖，HiRISE影像的DOMs作為交叉驗證。

“天問一號”探測器底部配置了GNC光學(xué)傳感器，視角垂直向下面向火面，在進入、下降和著陸（Entry Descent and Landing，EDL）過程中會對火面序列成像。像幅為2 048×2 048像素，視場角為58°[20]，在著陸過程中獲取了分辨率由低到高的序列影像。然而，受通信傳輸數(shù)據(jù)量限制，相鄰影像成像間隔較大（約為5 s），整個降落過程的影像僅為約80幅，且并非所有數(shù)據(jù)都立即下傳。因此，在“祝融號”著陸初期僅利用降落影像進行著陸點定位非常困難?！白Ｈ谔枴被鹦擒嚨奈U上安裝了雙目導(dǎo)航地形相機（Navigation Terrain Camera，NaTeCam），可以在偏航和俯仰方向進行轉(zhuǎn)動[21]，車體前后分別安裝了兩對避障相機，采用魚眼鏡頭，可分別為車前、后輪區(qū)域提供更大的視場。在發(fā)射之前，導(dǎo)航地形相機和避障相機的內(nèi)參數(shù)和安裝參數(shù)均在地面進行了精確標(biāo)定。

1.2 火星車定位方法

“天問一號”著巡組合體在初始著陸火面后（“祝融號”火星車與著陸器尚未分離），首先利用慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的姿態(tài)和絕對位置，建立著陸點坐標(biāo)系O?XYZ，原點為火面著陸點，正X軸沿著當(dāng)?shù)卣狈较?，正Z軸指向火心，正Y軸與正X軸、正Z軸構(gòu)成右手系。然后再利用圖像匹配的方法對該坐標(biāo)系（經(jīng)緯高）進行精化，此后該坐標(biāo)系唯一確定且保持不變。接著，根據(jù)火星車與著巡組合體的幾何安裝關(guān)系，以著陸點坐標(biāo)系為參考基準(zhǔn)，建立“祝融號”火星車的工作坐標(biāo)系W?XYZ，指向與著陸點坐標(biāo)系相同，原點為火星車的某個站點。車載的慣導(dǎo)系統(tǒng)、里程計設(shè)備以及基于視覺的定位方法均是以當(dāng)前工作系為基準(zhǔn)，確定火星車站點的相對位置。因此，通過站點、工作坐標(biāo)系、著陸坐標(biāo)系的一系列轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)火星車的絕對定位，相應(yīng)的實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 基于多源影像的“祝融號”火星車定位實現(xiàn)流程Fig.1 Workflow of the proposed method

1.2.1 由粗至精的著陸點定位

基于多源（包括環(huán)繞器HiRIC影像、GNC降落影像與火星車NaTeCam影像）影像實現(xiàn)了著陸點由粗至精定位。首先通過在NaTeCam圖像上確定的地標(biāo)點同環(huán)繞器高分影像進行匹配，利用地標(biāo)三角交會定位方法計算得到初始定位結(jié)果。隨后，利用后續(xù)下傳的GNC降落影像，選擇其中4幅圖像進行了降落圖像與環(huán)繞器HiRIC圖像匹配精化定位結(jié)果。最終，利用NaTeCam DOM與降落影像進行匹配，確定了著陸點的位置。

1）基于地標(biāo)交會的粗定位

首先對環(huán)拍的NaTeCam圖像采用圓柱投影進行全景圖拼接處理。遠處因地形起伏出現(xiàn)了若干類似山峰的尖角特征可認為是候選地標(biāo)，這些特征均可通過其在NaTeCam圖像的位置計算得到觀測的方位角?？紤]到NaTeCam圖像與環(huán)繞器HiRIC影像的觀測視角差異較大，難以直接進行特征關(guān)聯(lián)，因此，開發(fā)了基于軌道器影像DEM和DOM的仿真系統(tǒng)，可以生成多視角的模擬導(dǎo)航地形圖像，如圖2所示，其中紅色圓圈代表火星的地標(biāo)。

圖2 導(dǎo)航地形相機圖像和仿真圖像[20]Fig.2 Original and simulated NaTeCam images[20]

依據(jù)拼接圖像轉(zhuǎn)換參數(shù)將全景圖上的每個地標(biāo)像點位置計算至原始NaTeCam圖像上。每一幅NaTeCam影像的外方位元素可通過車體航向和桅桿3個關(guān)節(jié)角計算得到。通過影像外方位元素及地標(biāo)在影像上的像點位置，基于共線方程可直接計算地標(biāo)方位角。基于最小二乘，著陸點位置可通過最小化地標(biāo)方位角誤差計算得到。然而，由于NaTeCam外方位元素的不確定性，還需通過與后續(xù)獲取的降落圖像進行匹配對該結(jié)果進行精化。

2）基于圖像匹配的精定位

為提升定位精度，接著利用基于降落圖像匹配定位方法對基于地標(biāo)交會的粗定位結(jié)果進行精化。高度最低的降落圖像的中心通常被認為是著陸點位置。通過SIFT方法進行降落圖像間的匹配，相應(yīng)匹配結(jié)果用于著陸點在序列圖像中的追蹤。以地標(biāo)交會定位結(jié)果為基礎(chǔ)，將降落圖像匹配至環(huán)繞器HiRIC影像上，進而完成HiRIC DOM上的著陸點定位。考慮到最低一幅降落圖像獲取的高度距離火面還有一段距離，不能忽視由于可能的傾斜降落而導(dǎo)致的著陸點位置偏移。進一步將該降落影像與NaTeCam的DOM進行校準(zhǔn)并匹配，從而實現(xiàn)對著陸點位置的精化。

1.2.2 相對定位與絕對定位相結(jié)合的站點定位

“祝融號”火星車站點定位除了采用航跡推算法進行器上自主定位外，還采用了基于多源影像進行視覺定位的地面修正方式?；谟跋竦亩ㄎ环绞接挚煞譃榭缯镜囊曈X相對定位和基于DOM匹配的絕對定位兩種。前者作為火星車遙操作任務(wù)過程中的標(biāo)準(zhǔn)方法，以確保對所有站點實現(xiàn)連續(xù)定位；后者是在火面地形具備明顯特征的情況下附加使用的方法[22]。

1）基于光束法平差的跨站相對定位

首先根據(jù)航跡推算法得到的初始定位結(jié)果和相機的安裝矩陣計算相鄰站點的相機初始外方位，以此估計兩站點間的重疊影像及范圍，將其作為初始匹配區(qū)域，限制搜索范圍，以提高后續(xù)匹配的可靠性。然后利用Affine-SIFT算法在初始匹配區(qū)域進行特征點檢測，并采用基于歐式距離一致性原則進行粗差剔除。最后由光束法平差求解影像的外方位參數(shù)，進而推算出火星車的當(dāng)前位置[23]。以此類推從而實現(xiàn)各站點間火星車的連續(xù)定位。實際應(yīng)用中，由于火星車每次移動距離較遠（10 m左右），有時會由于相鄰站圖像的成像角度差異過大，從而使得影像間相關(guān)性減弱；或是缺乏明顯的地物特征等，以上這些因素會導(dǎo)致并不是所有站點都能自動實現(xiàn)定位。當(dāng)自動匹配定位困難時，需人工輔助選擇連接點。

2）基于DOM匹配的絕對定位

基于DOM匹配的定位方法是利用NaTeCam生成的DOM與軌道器高分辨率影像的DOM進行特征匹配，依據(jù)匹配結(jié)果可實現(xiàn)火星車在軌道器高分辨DOM影像上的絕對定位。該方法可以有效消除基于光束法平差定位的累計誤差[22]。但僅限于某些具有明顯特征（如小隕石坑和大巖石）的站點。例如，可以利用著陸區(qū)多石塊的特點，通過提取、匹配火星車影像與HiRISE圖像中的石塊實現(xiàn)火星車在HiRISE圖像中的定位[3]。文獻[7]中提到，使用“勇氣號”火星車和高分辨軌道器影像數(shù)據(jù)，已實現(xiàn)了定位精度優(yōu)于HiRISE影像1個像素?；贒OM匹配的絕對定位方法，在“嫦娥三號”任務(wù)中也進行了驗證，將導(dǎo)航相機生成的DOM（分辨率為0.02 m/像素）與降落相機生成的DOM（分辨率為0.05 m/像素）進行匹配，定位精度可以達到底圖1個像素[22]。

相對定位和絕對定位兩種方法相輔相成，相對定位雖然能實現(xiàn)連續(xù)跨站定位，但誤差會隨行駛里程累積；絕對定位不存在誤差累積，但使用條件高度依賴于火面地形特征，并且需要軌道器高精度DOM影像作為基準(zhǔn)底圖。

2 多源影像定位法的實驗驗證及工程實踐

2.1 實驗驗證

本文利用“嫦娥五號”任務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)檢驗了著陸點定位方法的精度，在實驗室構(gòu)建了立體導(dǎo)航系統(tǒng)對站點定位進行了精度分析。

2.1.1 著陸點定位前期驗證

使用“嫦娥五號”任務(wù)動力下降過程的降落影像，基準(zhǔn)底圖選用“嫦娥二號”DOM，對前文所述的基于視覺的著陸點定位方法進行驗證。

首先，將分辨率接近“嫦娥二號”底圖的降落影像通過相同特征（如隕石坑）匹配和投影變換校正并配準(zhǔn)到底圖上，見圖3（a）。然后，將更高分辨率的降落影像按順序校準(zhǔn)并配準(zhǔn)到底圖上，見圖3（b）。位于最后一幅圖像中心的位置即被確定為“嫦娥五號”著陸點的位置，即在“嫦娥二號”DOM中（51.916 2°W，43.058 4°N）[24]，見圖3（c）。

圖3 基于視覺的著陸點定位[24]Fig.3 Image-based localization of the lander[24]

為了進一步驗證，利用名稱為M1132169436[25]的LROC NAC 影像制作了LROC DOM。在該DOM上，著陸點的位置被確定為（51.915 6°W，43.059 1°N），見圖4（a）?！版隙鹞逄枴敝懺旅婧笠惶?，2020年12月2日14:53:55 UTC獲取了著陸點的相關(guān)影像，見圖4（b）[26]，在這張圖片中可以直接觀察到著陸器。

實驗表明，基于視覺的著陸點定位結(jié)果（CE2 DOM vs.LROC NAC DOM）之間的位置誤差小于30 m；另外，基于視覺的著陸點定位結(jié)果（CE2 DOM）與LROC團隊定位結(jié)果的位置偏差也小于30 m。

圖4 著陸點定位結(jié)果比對[26]Fig.4 Lander localization comparison[26]

2.1.2 站點定位仿真驗證

為了驗證前文所述的相對定位算法精度，在實驗室開展了如下模擬實驗。雙目CCD相機的基線約為262 cm，相機離地高度約為1.6 m，并對相機內(nèi)外參數(shù)進行了精確標(biāo)定。利用雙目相機構(gòu)成視覺系統(tǒng)，在試驗場內(nèi)獲取相關(guān)圖像，并進行定位計算。利用室內(nèi)GPS測量兩個站點的精確位置，測量精度優(yōu)于0.3 mm。將測量值作為真值，將定位解算的結(jié)果與其進行比較，從而評價相對定位的精度，結(jié)果如表1所示。

表1 相對定位的仿真結(jié)果Table 1 Simulation results of relative location

由表1可以看出，在地面環(huán)境實現(xiàn)了3～11 m距離范圍的定位，精度優(yōu)于3%。定位結(jié)果的精度并不隨距離的增加而降低或增高。定位精度主要與連接點的分布以及精度有關(guān)。因此，在實際工程應(yīng)用時建議連接點的個數(shù)5～7個，且分布盡量均勻。

2.2 工程實踐

“祝融號”火星車著陸火面后，利用多源圖像進行匹配實現(xiàn)了著陸點精確定位，結(jié)果與后續(xù)“天問一號”環(huán)繞器對著陸區(qū)進行重復(fù)觀測的結(jié)果一致。通過位置對比，視覺定位結(jié)果精度優(yōu)于HiRIC DOM 1個像素[20]。后續(xù)，利用多源影像進行視覺定位的方法完成了火星車112個站點的連續(xù)穩(wěn)健定位。圖5為“祝融號”火星車的行駛路線和著陸區(qū)附近的坡度圖，其中各個站點（包括著陸點）位置均為視覺定位結(jié)果，圖5（a）紅色五角星為著陸點，綠點為每個火星日的起始移動站點，黃色曲線為地面規(guī)劃移動路線，綠色虛線為自主規(guī)劃移動路線。底圖為E S P_0 6 9 6 6 5_ 2 0 5 5_RED_A_01_ORTHO[28]，分辨率約為0.3 m/像素；圖5（b）底圖為DTEEC_069665_ 2055 _069731_ 2055_A01[28], 分辨率約為1 m/像素。由圖5可以看到，“祝融號”火星車著陸區(qū)整體較為平坦，著陸點以南3 km范圍內(nèi)的高程差不超過20 m，平均坡度約為3.8°，著陸點周圍79%的撞擊坑直徑均≤10 m[27]。

2.2.1 著陸點定位工程實踐及分析

如圖6所示，首先將頂部環(huán)拍的（左）導(dǎo)航地形相機圖像采用圓柱投影進行360°全景拼接，0°為正北，270°為正西。然后在拼接影像中選取遠處因地形起伏出現(xiàn)的若干類似山峰的尖角特征為候選地標(biāo)，圖6中箭頭1～8，其中白色箭頭為地標(biāo)。成像時導(dǎo)航地形相機的俯仰角為–5°，這些特征均可通過其在NaTeCam圖像的位置計算得到觀測的方位角?？紤]到全景影像上與環(huán)繞器DOM的觀測視角差異較大，難以直接進行特征關(guān)聯(lián)，為此，開發(fā)了圖像仿真系統(tǒng)，利用環(huán)繞器DEM和DOM仿真不同高度下的地標(biāo)圖像，通過變換連續(xù)視角輔助進行地標(biāo)配對結(jié)果的驗證。

圖6 導(dǎo)航地形相機的全景拼接圖[20]Fig.6 The 360° panorama of NaTeCam images[20]

由拼接影像的轉(zhuǎn)換參數(shù)可將全景影像上的每個地標(biāo)像點位置計算至原始NaTeCam圖像上。每幅NaTeCam影像的外方位元素可通過火星車車體航向和桅桿3個關(guān)節(jié)角計算得到。通過影像外方位及地標(biāo)在影像的像點位置，基于共線方程可直接計算每個地標(biāo)的方位角。基于最小二乘，著陸點位置可通過最小化地標(biāo)方位角誤差計算得到。在仿真圖像的輔助下，可實現(xiàn)環(huán)拍影像與環(huán)繞器高分影像之間的地標(biāo)配對，見圖7，其中中心圖像是環(huán)繞器高分影像的DOM，其余的均為仿真圖像；綠點代表著陸點位置，紅線代表地標(biāo)的方位線。

圖7 基于地標(biāo)交會的初始定位結(jié)果[20]Fig.7 Initial localization result based on the landmark triangulation method[20]

通過方位角交會計算得到的粗定位結(jié)果為(109.93°E，25.07°N)。

在粗定位結(jié)果的引導(dǎo)下，從沒有羽流效應(yīng)的降落圖像中選擇4張（成像高度為1.3～0.08 km）進行圖像匹配，并將它們與環(huán)繞器HiRIC DOM進行配準(zhǔn)。為精化定位結(jié)果，將NaTeCam DOM（俯仰角為–30°）與降落影像進行匹配，如圖8所示。最終的定位結(jié)果為（109.925°E，25.066°N），于2021年5月29日完成[20]。6月6日，HiRISE公開了“天問一號”的著陸區(qū)圖像，該研究定位結(jié)果一并得到了驗證。

圖8 基于圖像匹配的著陸點精定位結(jié)果及驗證情況[20]Fig.8 Localization results based on image matching methods[20]

2.2.2 站點定位工程實踐及分析

截止前100個火星日，火星車已累計移動112次，利用基于光束法平差的定位方法對所有站點進行了相對定位，由于相鄰站點航向角的差異一般都不大（＜30°），且移動終點位置都較為平坦（俯仰角、滾動角基本＜3°），因此利用最小二乘解算相對位置通常能取得穩(wěn)定的收斂結(jié)果。圖9（a）展示了一個匹配示例，虛線邊界為由初始定位結(jié)果預(yù)測的區(qū)域范圍。在地面特征非常不明顯的條件下，也采用人工選擇連接點進行輔助定位。圖9（b）為對望模式時，人工添加連接點的示例。

圖9 相鄰站的特征點匹配Fig.9 Feature matching in cross-site images

利用基于DOM匹配的方法對45個站點進行了絕對定位，由于兩個DOM的分辨率差異較大（約為15倍），僅在一些具有明顯火面特征的位置開展了相應(yīng)的校正匹配工作，圖10展示了NaTeCam環(huán)拍DOM與HiRISE DOM進行匹配校正的示例。

圖10 導(dǎo)航地形DOM與HiRISE DOM進行匹配校正（底圖為ESP_069665_2 055_RED_A_01_ORTHO）[28]Fig.10 Matching correction between NaTeCam DOM and HiRISE DOM.The base image is the ESP_069665_2 055_RED_A_01_ORTHO[28]

將DOM匹配獲得的絕對定位結(jié)果作為站點真值，分別將航跡推算法（DR）和基于光束法平差法（BA）的二維定位結(jié)果與之進行比較（所有結(jié)果均轉(zhuǎn)換至著陸坐標(biāo)系下），來評價比較兩種方法的定位精度。其中，把兩種定位方法的定位位置與真值的二維平面差記為絕對定位精度，把絕對定位精度與里程的比值記為相對定位精度，如圖11所示。

圖11 兩種方法定位結(jié)果比對Fig.11 Comparison of positioning results of the two methods

由圖11可以看出，隨著相對距離的增大，兩種方法的絕對定位精度整體呈下降趨勢。當(dāng)兩站距離為10 m左右時，BA的絕對精度優(yōu)于0.5 m，相對定位精度優(yōu)于4.1%；當(dāng)兩站距離為20 m左右時，BA的絕對精度優(yōu)于1.2 m，相對定位精度優(yōu)于6.5%?？傮w而言，BA精度略高于DR。但相對定位精度與里程不是一個線性比例關(guān)系。

3 結(jié)束語

本文詳細描述了基于多源影像的“祝融號”火星車定位方法，首先利用地標(biāo)交會和序列圖像匹配實現(xiàn)了著陸點精確定位，定位結(jié)果優(yōu)于HiRIC DOM 1個像素。后續(xù)利用基于BA的跨站相對定位和基于DOM匹配絕對定位兩種互補方式實現(xiàn)了火星車各站點連續(xù)穩(wěn)健高精度定位。將基于DOM匹配絕對定位的站點結(jié)果作為真值，對比了BA和DR的定位精度，總體來講，BA精度略高于DR。

作為深空探測車行駛和探測的核心技術(shù)，導(dǎo)航定位技術(shù)已在月球和火星巡視探測任務(wù)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。目前研究和應(yīng)用正朝著智能化、長距離自主導(dǎo)航定位等方向發(fā)展，需要深空探測技術(shù)人員和相關(guān)科研工作者共同努力攻關(guān)解決。

致 謝

感謝北京航天飛行控制中心張作宇工程師、吳凡工程師、王曉雪工程師為本文寫作提供的幫助和支持。