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1. 嫦娥三號(hào)著陸器定位

1.1 基于降落相機(jī)序列圖像的著陸器定位

     嫦娥三號(hào)著陸器的無線電測控精度較低，不足以在衛(wèi)星影像底圖上準(zhǔn)確地確定著陸器位置，無法滿足著陸區(qū)任務(wù)規(guī)劃的需求。實(shí)際任務(wù)中，嫦娥三號(hào)著陸器攜帶了視場角為45.4°、像幅為1024×1024像素的降落相機(jī)。降落過程中獲取了4672幅降落序列影像。本研究中開發(fā)了基于降落序列影像與嫦娥二號(hào)衛(wèi)星影像連續(xù)匹配的著陸器定位方法。方法中，首先通過匹配確定降落序列影像間幾何變換關(guān)系，將高分辨率降落圖像上的著陸位置傳遞至低分辨率的降落圖像上；然后，通過低分辨率的降落圖像同衛(wèi)星影像DOM數(shù)據(jù)間的撞擊坑匹配，將著陸器位置傳遞至在衛(wèi)星影像上，獲取初始定位結(jié)果；最后，在著陸區(qū)附近選擇一定數(shù)量特征點(diǎn)，直接建立高分辨率降落影像同衛(wèi)星影像DOM間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)著陸點(diǎn)精確定位。

     采用該方法，在嫦娥三號(hào)著陸后1小時(shí)內(nèi)即實(shí)現(xiàn)了著陸器在降落圖像和嫦娥二號(hào)高分辨率衛(wèi)星影像上的定位，有力地支持了后續(xù)探測任務(wù)規(guī)劃。事后，通過對比LRO影像上著陸器的真實(shí)位置，驗(yàn)證了該定位方法的定位精度優(yōu)于衛(wèi)星影像一個(gè)像素。

嫦娥二號(hào)影像生成的嫦娥三號(hào)著陸區(qū)DOM

降落相機(jī)序列圖像間的匹配

衛(wèi)星圖像和降落圖像中的撞擊坑提取與匹配

著陸器在嫦娥二號(hào)DOM上的高精度定位結(jié)果

著陸器在LRO影像上的定位與對比（紅色點(diǎn)為定位出的位置，白色點(diǎn)為LRO中拍攝到的著陸器位置）

1.2 基于月球車影像逐級匹配的著陸器定位

     嫦娥三號(hào)月球車與著陸器分離前，在著陸器頂部環(huán)拍了部分影像，首先將環(huán)拍的導(dǎo)航相機(jī)影像生成DOM，然后通過探測車導(dǎo)航相機(jī)生成的DOM與降落相機(jī)生成的高精度著陸區(qū)影像匹配實(shí)現(xiàn)著陸器在降落相機(jī)影像上的定位，而降落相機(jī)影像生成的DOM是以嫦娥二號(hào)1.5m分辨率影像為基準(zhǔn)的，因此實(shí)現(xiàn)了著陸器在嫦娥二號(hào)影像上的高精度定位。

兩器分離前導(dǎo)航相機(jī)影像生成DOM

降落相機(jī)影像生成的DOM

DOM匹配實(shí)現(xiàn)著陸器定位

匹配結(jié)果得到LRO拍攝驗(yàn)證

2. 嫦娥四號(hào)著陸器定位

     2019年1月3日，嫦娥四號(hào)著陸器和巡視器成功降落于月球南極背面艾特肯盆地的馮卡門撞擊坑，玉兔二號(hào)月球車當(dāng)天與著陸器分離并開始巡視探測。

     基于嫦娥二號(hào)、LRO軌道器影像、嫦娥四號(hào)降落相機(jī)影像，利用多源數(shù)據(jù)特征匹配方法實(shí)現(xiàn)了嫦娥四號(hào)著陸器的高精度定位，定位結(jié)果為177.588°E, 45.457°S。

嫦娥四號(hào)著陸區(qū)LROC NAC DOM

嫦娥四號(hào)降落相機(jī)影像（距離月面高度：～4.0 km (a), ～100 m (b) and ～8 m (c)）

多源數(shù)據(jù)特征匹配結(jié)果

嫦娥四號(hào)在LROC NAC 正射影像圖上的定位結(jié)果

3. 嫦娥五號(hào)著陸器定位

     嫦娥五號(hào)，是中國首個(gè)月球無人采樣返回探測器，2020年11月24日于海南文昌發(fā)射場發(fā)射。2020年12月1日嫦娥五號(hào)著陸器和上升器組合體成功著陸于月球正面北部的“風(fēng)暴洋”，完成月面采樣后于上升器攜帶月球樣品于2020年12月3日飛離月球表面，12月6日上升器和返回器完成交會(huì)對接，隨后月球樣品成功轉(zhuǎn)移到返回器，最終嫦娥五號(hào)返回器于2020年12月17日成功著陸于中國北部內(nèi)蒙古著陸場，嫦娥五號(hào)采樣返回任務(wù)取得了圓滿成功（嫦娥五號(hào)采樣返回過程如下圖所示）。

嫦娥五號(hào)采樣返回過程示意圖

     基于降落影像和軌道器影像匹配的定位方法成功應(yīng)用于嫦娥五號(hào)著陸器定位。嫦娥五號(hào)降落和著陸軌跡不同于嫦娥三號(hào)和四號(hào)，這為嫦娥五號(hào)的著陸器定位帶來了新挑戰(zhàn)。嫦娥五號(hào)著陸器和上升器組合體與軌道返回器組合體分離后，以傾斜方式開始下降著陸過程。著陸器和上升器組合體成功著陸后，高度距離月面9Km到著陸的240幅著陸器降落相機(jī)影像即下傳至地面，降落相機(jī)影像大小為2352 × 1728 像素。利用降落相機(jī)影像的定位過程如下：

    （1）選取分辨率接近于嫦娥二號(hào)正射影像圖分辨率的降落相機(jī)影像，通過撞擊坑匹配的方式將降落相機(jī)影像匹配到嫦娥二號(hào)影像上，根據(jù)匹配點(diǎn)計(jì)算降落相機(jī)影像投影變換模型，并對降落相機(jī)影像通過投影變換模型配準(zhǔn)到嫦娥二號(hào)影像上（圖a），校正后的降落影像作為基準(zhǔn)圖用于后續(xù)降落影像的特征匹配；

    （2）間隔選取不同高度的降落影像數(shù)據(jù)，利用SIFT匹配方法與降落影像基準(zhǔn)圖匹配，將序列降落影像配準(zhǔn)到嫦娥二號(hào)基準(zhǔn)影像圖上，直到最高分辨率降落影像匹配完成（圖b）；

    （3）取最高分辨率降落影像中心位置作為著陸器著陸位置，著陸器著陸位置為51.9162°W, 43.0584°N，嫦娥二號(hào)DEM上的著陸點(diǎn)高程為-2550.4m（圖c）；

    （4）嫦娥五號(hào)著陸點(diǎn)在LROC NAC DOM（M1132169436LE）上的定位位置為51.9156°W, 43.0591°N，SLDEM2015上著陸點(diǎn)高程為-2552.5m（圖d）。

基于序列降落影像匹配的嫦娥五號(hào)著陸點(diǎn)定位

    嫦娥五號(hào)著陸1天以后，UTC時(shí)間2020年12月4日14:53:55，LRO獲取了嫦娥五號(hào)著陸區(qū)新的影像（M1361560086R），此影像上可以清晰地看到嫦娥五號(hào)著陸器，LROC團(tuán)隊(duì)對嫦娥五號(hào)的定位結(jié)果為（43.0476°N, 308.0839°E, -2570m），驗(yàn)證了我們對嫦娥五號(hào)著陸器定位的準(zhǔn)確性。

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