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1. 嫦娥三號著陸器定位
1.1 基于降落相機序列圖像的著陸器定位
嫦娥三號著陸器的無線電測控精度較低，不足以在衛(wèi)星影像底圖上準確地確定著陸器位置，無法滿足著陸區(qū)任務規(guī)劃的需求。實際任務中，嫦娥三號著陸器攜帶了視場角為45.4°、像幅為1024×1024像素的降落相機。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數據間的撞擊坑匹配，將著陸器位置傳遞至在衛(wèi)星影像上，獲取初始定位結果；最后，在著陸區(qū)附近選擇一定數量特征點，直接建立高分辨率降落影像同衛(wèi)星影像DOM間的關系實現著陸點精確定位。
采用該方法，在嫦娥三號著陸后1小時內即實現了著陸器在降落圖像和嫦娥二號高分辨率衛(wèi)星影像上的定位，有力地支持了后續(xù)探測任務規(guī)劃。事后，通過對比LRO影像上著陸器的真實位置，驗證了該定位方法的定位精度優(yōu)于衛(wèi)星影像一個像素。
嫦娥二號影像生成的嫦娥三號著陸區(qū)DOM
降落相機序列圖像間的匹配
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DOM上的高精度定位結果
著陸器在LRO影像上的定位與對比（紅色點為定位出的位置，白色點為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)拍的導航相機影像生成DOM，然后通過探測車導航相機生成的DOM與降落相機生成的高精度著陸區(qū)影像匹配實現著陸器在降落相機影像上的定位，而降落相機影像生成的DOM是以嫦娥二號1.5m分辨率影像為基準的，因此實現了著陸器在嫦娥二號影像上的高精度定位。
兩器分離前導航相機影像生成DOM
降落相機影像生成的DOM
DOM匹配實現著陸器定位
匹配結果得到LRO拍攝驗證
2. 嫦娥四號著陸器定位
2019年1月3日，嫦娥四號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，玉兔二號月球車當天與著陸器分離并開始巡視探測。
基于嫦娥二號、LRO軌道器影像、嫦娥四號降落相機影像，利用多源數據特征匹配方法實現了嫦娥四號著陸器的高精度定位，定位結果為177.588°E, 45.457°S。
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嫦娥四號著陸區(qū)LROC NAC DOM
嫦娥四號降落相機影像（距離月面高度：～4.0 km (a), ～100 m (b) and ～8 m (c)）
多源數據特征匹配結果
嫦娥四號在LROC NAC 正射影像圖上的定位結果
3. 嫦娥五號著陸器定位
嫦娥五號，是中國首個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日嫦娥五號著陸器和上升器組合體成功著陸于月球正面北部的“風暴洋”，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對接，隨后月球樣品成功轉移到返回器，最終嫦娥五號返回器于2020年12月17日成功著陸于中國北部內蒙古著陸場，嫦娥五號采樣返回任務取得了圓滿成功（嫦娥五號采樣返回過程如下圖所示）。
嫦娥五號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用于嫦娥五號著陸器定位。嫦娥五號降落和著陸軌跡不同于嫦娥三號和四號，這為嫦娥五號的著陸器定位帶來了新挑戰(zhàn)。嫦娥五號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幅著陸器降落相機影像即下傳至地面，降落相機影像大小為2352 × 1728 像素。利用降落相機影像的定位過程如下：
（1）選取分辨率接近于嫦娥二號正射影像圖分辨率的降落相機影像，通過撞擊坑匹配的方式將降落相機影像匹配到嫦娥二號影像上，根據匹配點計算降落相機影像投影變換模型，并對降落相機影像通過投影變換模型配準到嫦娥二號影像上（圖a），校正后的降落影像作為基準圖用于后續(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據，利用SIFT匹配方法與降落影像基準圖匹配，將序列降落影像配準到嫦娥二號基準影像圖上，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DEM上的著陸點高程為-2550.4m（圖c）；
（4）嫦娥五號著陸點在LROC NAC DOM（M1132169436LE）上的定位位置為51.9156°W, 43.0591°N，SLDEM2015上著陸點高程為-2552.5m（圖d）。
基于序列降落影像匹配的嫦娥五號著陸點定位
嫦娥五號著陸1天以后，UTC時間2020年12月4日14:53:55，LRO獲取了嫦娥五號著陸區(qū)新的影像（M1361560086R），此影像上可以清晰地看到嫦娥五號著陸器，LROC團隊對嫦娥五號的定位結果為（43.0476°N, 308.0839°E, -2570m），驗證了我們對嫦娥五號著陸器定位的準確性。
附相關文章：
萬文輝,劉召芹,劉一良,劉斌,邸凱昌,周建亮,王保豐,劉傳凱,王鎵,2014. 基于降落圖像匹配的嫦娥三號著陸點位置評估,航天器工程,23(4):5-12
劉斌,邸凱昌,王保豐,唐歌實,徐斌,張璐璐,劉召芹,2015. 基于LRO NAC影像的嫦娥三號著陸點高精度定位與精度驗證,科學通報,60(28-29): 2750-2757.
劉斌,徐斌,劉召芹,劉一良,邸凱昌,唐歌實,周建亮,2014. 基于降落相機圖像的嫦娥三號著陸軌跡恢復,遙感學報,18(5):988-994.
Liu Z, Di K, Peng M, Wan W, Liu B, Li L, Yu T, Wang B, Zhou J, Chen H. 2015. High precision landing site mapping and rover localization for Chang'3 mission,Science China-Physics Mechanics & Astronomy,58(1):1-11.
邸凱昌, 劉召芹, 劉斌, 萬文輝, 彭嫚, 王曄昕, 芶盛, 岳宗玉, 辛鑫, 賈萌娜, 牛勝利, 2019. 多源數據的嫦娥四號著陸點定位,遙感學報,23(1):177-184.
Liu, Z., K. Di, J. Li, J. Xie, X. Cui, L. Xi, W. Wan, M. Peng, B. Liu, Y. Wang, S. Gou, Z. Yue, T. Yu, L. Li, J. Wang, C. Liu, X. Xin, M. Jia, Z. Bo, J. Liu, R. Wang, S. Niu, K. Zhang, Y. You, B. Liu, J. Liu,, 2020. Landing site topographic mapping and rover localization for Chang’e-4 mission,Science China Information Sciences,63:170-181.
Wang J., Y. Zhang, K. Di, M. Chen, J. Duan, J. Kong, J. Xie, Z. Liu, W. Wan, Z. Rong, B, Liu, M. Peng, Y. Wang, 2021. Localization of the Chang'e-5 Lander Using Radio-Tracking and Image-Based Methods,Remote sensing,13(4):590-601.
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