王 鎵，李達(dá)飛，何錫明，成子青，許 倩，錢雪茹，萬(wàn)文輝

（1.北京航天飛行控制中心，北京 100094；2.中國(guó)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(guó)“祝融號(hào)”火星車成功登陸火星北半球?yàn)跬邪钇皆?，首次?dú)立在一次任務(wù)中成功實(shí)現(xiàn)了“繞、落、巡”探測(cè)目標(biāo)[1]，成為第二個(gè)有火星車成功登陸火星的國(guó)家。截至2021年8月15日，“祝融號(hào)”火星車已在火星表面運(yùn)行滿90個(gè)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(cè)任務(wù)[2]。

火星車在火星表面進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，火星車的移動(dòng)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(cè)控站的通信天線具有更高的指向精度，減小增益損失；同時(shí)還能夠?yàn)榈孛娴倪b操作規(guī)劃提供重要的數(shù)據(jù)支持。由此看來(lái)，高精度的導(dǎo)航定位技術(shù)，對(duì)于確?；鹦擒嚢踩煽垦惨?，完成既定的科學(xué)探測(cè)任務(wù)具有重要的應(yīng)用價(jià)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(hào)。因此，需要依靠車載傳感器（例如慣導(dǎo)、里程計(jì)及視覺相機(jī)等）實(shí)現(xiàn)自主定位[3]。但是，隨著行駛距離增長(zhǎng)，自主定位的累積誤差不可避免。為降低定位累積誤差對(duì)后續(xù)任務(wù)的執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)，還需引入其它多源影像數(shù)據(jù)（例如軌道器影像），通過(guò)多源數(shù)據(jù)協(xié)同處理的方式來(lái)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(duì)定位和相對(duì)定位兩種。絕對(duì)定位是通過(guò)外部觀測(cè)物體如星辰、軌道器等來(lái)確定火星車在火星的絕對(duì)位置（經(jīng)度、緯度和高度）的方法。目前任務(wù)中，火星車絕對(duì)定位方法有如下幾種。①無(wú)線電定位技術(shù)。借助中繼探測(cè)器（環(huán)繞器或著陸器），根據(jù)無(wú)線電信號(hào)的多普勒頻移來(lái)確定火星車在火星慣性參考系中的位置[4]。通過(guò)多次重復(fù)觀測(cè)，在慣性系的定位精度可達(dá)1～10 m[5]，轉(zhuǎn)換至火固系，轉(zhuǎn)換精度為±250 m[5]。文獻(xiàn)[6]結(jié)合中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)特點(diǎn)，初步分析使用無(wú)線電技術(shù)對(duì)火星車進(jìn)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(duì)比來(lái)確定火星車的位置[4]。文獻(xiàn)[7]提到，該方法的定位精度可達(dá)優(yōu)于軌道器影像1個(gè)像素。③基于位置圓的定位技術(shù)[6]。通過(guò)測(cè)定自然界中的天體位置來(lái)求解位置圓方程來(lái)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位[8-9]。定位精度主要受限于敏感器（太陽(yáng)敏感器和加速度計(jì)）測(cè)量誤差。假定敏感器測(cè)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(duì)定位則是通過(guò)車載儀器設(shè)備如慣性導(dǎo)航器件、里程計(jì)、立體相機(jī)等來(lái)確定火星車相對(duì)于起始點(diǎn)的位置。相對(duì)定位都是通過(guò)遞推實(shí)現(xiàn)的，行駛過(guò)程中缺乏外部控制信息校正，因而會(huì)存在累計(jì)誤差。目前，已應(yīng)用于火星車的相對(duì)定位方法有如下幾種。①航跡推算法。基于里程計(jì)和慣性導(dǎo)航器件來(lái)計(jì)算火星車的位置和姿態(tài)，是一種器上實(shí)時(shí)自主定位方法[4]。缺點(diǎn)是在長(zhǎng)距離定位時(shí)會(huì)隨時(shí)間累積及車輪打滑而產(chǎn)生較大誤差。“勇氣號(hào)”（Spirit）和“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）火星車的設(shè)計(jì)精度為行駛距離的10%[11-12]。②視覺測(cè)程法?；诨鹦擒囘B續(xù)拍攝的立體相機(jī)像對(duì)在二維影像平面和三維地面空間追蹤特征點(diǎn)并估計(jì)相對(duì)的位置和姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位[13]。為了保證前后立體像對(duì)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(guò)75 cm，成像方位角的變化不超過(guò)18°[14]。受車載計(jì)算機(jī)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(duì)連接起來(lái)構(gòu)成影像區(qū)域網(wǎng)，通過(guò)攝影測(cè)量光束法平差來(lái)提高影像位置和方位參數(shù)以及火面相關(guān)點(diǎn)位置的精度和一致性，從而實(shí)現(xiàn)火星車的長(zhǎng)距離高精度定位。在“火星探測(cè)器漫游者”（Mars Exploration Rover，MER）的測(cè)試精度可達(dá)到移動(dòng)距離的2%[16]。

中國(guó)“祝融號(hào)”火星車在完成“著巡合影”后，單日移動(dòng)距離由10 m拓展至約20 m。另外受傳輸帶寬限制，一般來(lái)說(shuō)火星車僅利用導(dǎo)航地形相機(jī)拍攝前進(jìn)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(lái)了不少挑戰(zhàn)。本文詳細(xì)介紹了基于多源影像的“祝融號(hào)”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(jī)（High Resolution Imaging Camera，HiRIC）影像、降落影像與火星車導(dǎo)航地形相機(jī)圖像進(jìn)行了由粗至精的著陸點(diǎn)定位；后續(xù)以著陸點(diǎn)位置為基礎(chǔ)，利用視覺的方法實(shí)現(xiàn)了火星車各站點(diǎn)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(duì)預(yù)選著陸區(qū)的觀測(cè)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(cè)器著陸點(diǎn)）定位的基準(zhǔn)底圖。中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器搭載的HiRIC相機(jī)，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(diǎn)區(qū)域可達(dá)0.5 m/像素[17]；在近火點(diǎn)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(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)月球與深空探測(cè)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(guó)火星偵查軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）的高分辨率成像科學(xué)實(shí)驗(yàn)相機(jī)（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(guó)國(guó)家航空航天中心（National Aeronautics Space Administration，NASA）戈達(dá)德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）及相關(guān)團(tuán)隊(duì)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(guó)高分影像的產(chǎn)品結(jié)果與MRO搭載的背景相機(jī)（Context Camera, CTX）和火星軌道激光測(cè)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(wèn)一號(hào)”探測(cè)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(yàn)證。

“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)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(jìn)入、下降和著陸（Entry Descent and Landing，EDL）過(guò)程中會(huì)對(duì)火面序列成像。像幅為2 048×2 048像素，視場(chǎng)角為58°[20]，在著陸過(guò)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(gè)降落過(guò)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(hào)”著陸初期僅利用降落影像進(jìn)行著陸點(diǎn)定位非常困難?！白Ｈ谔?hào)”火星車的桅桿上安裝了雙目導(dǎo)航地形相機(jī)（Navigation Terrain Camera，NaTeCam），可以在偏航和俯仰方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)[21]，車體前后分別安裝了兩對(duì)避障相機(jī)，采用魚眼鏡頭，可分別為車前、后輪區(qū)域提供更大的視場(chǎng)。在發(fā)射之前，導(dǎo)航地形相機(jī)和避障相機(jī)的內(nèi)參數(shù)和安裝參數(shù)均在地面進(jìn)行了精確標(biāo)定。

1.2 火星車定位方法

“天問(wèn)一號(hào)”著巡組合體在初始著陸火面后（“祝融號(hào)”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(duì)位置，建立著陸點(diǎn)坐標(biāo)系O?XYZ，原點(diǎn)為火面著陸點(diǎn)，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(duì)該坐標(biāo)系（經(jīng)緯高）進(jìn)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(diǎn)坐標(biāo)系為參考基準(zhǔn)，建立“祝融號(hào)”火星車的工作坐標(biāo)系W?XYZ，指向與著陸點(diǎn)坐標(biāo)系相同，原點(diǎn)為火星車的某個(gè)站點(diǎn)。車載的慣導(dǎo)系統(tǒng)、里程計(jì)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(diǎn)的相對(duì)位置。因此，通過(guò)站點(diǎn)、工作坐標(biāo)系、著陸坐標(biāo)系的一系列轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)火星車的絕對(duì)定位，相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

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

1.2.1 由粗至精的著陸點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了著陸點(diǎn)由粗至精定位。首先通過(guò)在NaTeCam圖像上確定的地標(biāo)點(diǎn)同環(huán)繞器高分影像進(jìn)行匹配，利用地標(biāo)三角交會(huì)定位方法計(jì)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(jìn)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(jìn)行匹配，確定了著陸點(diǎn)的位置。

1）基于地標(biāo)交會(huì)的粗定位

首先對(duì)環(huán)拍的NaTeCam圖像采用圓柱投影進(jìn)行全景圖拼接處理。遠(yuǎn)處因地形起伏出現(xiàn)了若干類似山峰的尖角特征可認(rèn)為是候選地標(biāo)，這些特征均可通過(guò)其在NaTeCam圖像的位置計(jì)算得到觀測(cè)的方位角?？紤]到NaTeCam圖像與環(huán)繞器HiRIC影像的觀測(cè)視角差異較大，難以直接進(jìn)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(jī)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(gè)地標(biāo)像點(diǎn)位置計(jì)算至原始NaTeCam圖像上。每一幅NaTeCam影像的外方位元素可通過(guò)車體航向和桅桿3個(gè)關(guān)節(jié)角計(jì)算得到。通過(guò)影像外方位元素及地標(biāo)在影像上的像點(diǎn)位置，基于共線方程可直接計(jì)算地標(biāo)方位角?；谧钚《?，著陸點(diǎn)位置可通過(guò)最小化地標(biāo)方位角誤差計(jì)算得到。然而，由于NaTeCam外方位元素的不確定性，還需通過(guò)與后續(xù)獲取的降落圖像進(jìn)行匹配對(duì)該結(jié)果進(jìn)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(duì)基于地標(biāo)交會(huì)的粗定位結(jié)果進(jìn)行精化。高度最低的降落圖像的中心通常被認(rèn)為是著陸點(diǎn)位置。通過(guò)SIFT方法進(jìn)行降落圖像間的匹配，相應(yīng)匹配結(jié)果用于著陸點(diǎn)在序列圖像中的追蹤。以地標(biāo)交會(huì)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(jìn)而完成HiRIC DOM上的著陸點(diǎn)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(diǎn)位置偏移。進(jìn)一步將該降落影像與NaTeCam的DOM進(jìn)行校準(zhǔn)并匹配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)著陸點(diǎn)位置的精化。

1.2.2 相對(duì)定位與絕對(duì)定位相結(jié)合的站點(diǎn)定位

“祝融號(hào)”火星車站點(diǎn)定位除了采用航跡推算法進(jìn)行器上自主定位外，還采用了基于多源影像進(jìn)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(duì)定位和基于DOM匹配的絕對(duì)定位兩種。前者作為火星車遙操作任務(wù)過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)方法，以確保對(duì)所有站點(diǎn)實(shí)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(duì)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(jī)的安裝矩陣計(jì)算相鄰站點(diǎn)的相機(jī)初始外方位，以此估計(jì)兩站點(diǎn)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(jìn)行特征點(diǎn)檢測(cè)，并采用基于歐式距離一致性原則進(jìn)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(jìn)而推算出火星車的當(dāng)前位置[23]。以此類推從而實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)間火星車的連續(xù)定位。實(shí)際應(yīng)用中，由于火星車每次移動(dòng)距離較遠(yuǎn)（10 m左右），有時(shí)會(huì)由于相鄰站圖像的成像角度差異過(guò)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(huì)導(dǎo)致并不是所有站點(diǎn)都能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)定位。當(dāng)自動(dòng)匹配定位困難時(shí)，需人工輔助選擇連接點(diǎn)。

2）基于DOM匹配的絕對(duì)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(jìn)行特征匹配，依據(jù)匹配結(jié)果可實(shí)現(xiàn)火星車在軌道器高分辨DOM影像上的絕對(duì)定位。該方法可以有效消除基于光束法平差定位的累計(jì)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(diǎn)。例如，可以利用著陸區(qū)多石塊的特點(diǎn)，通過(guò)提取、匹配火星車影像與HiRISE圖像中的石塊實(shí)現(xiàn)火星車在HiRISE圖像中的定位[3]。文獻(xiàn)[7]中提到，使用“勇氣號(hào)”火星車和高分辨軌道器影像數(shù)據(jù)，已實(shí)現(xiàn)了定位精度優(yōu)于HiRISE影像1個(gè)像素?；贒OM匹配的絕對(duì)定位方法，在“嫦娥三號(hào)”任務(wù)中也進(jìn)行了驗(yàn)證，將導(dǎo)航相機(jī)生成的DOM（分辨率為0.02 m/像素）與降落相機(jī)生成的DOM（分辨率為0.05 m/像素）進(jìn)行匹配，定位精度可以達(dá)到底圖1個(gè)像素[22]。

相對(duì)定位和絕對(duì)定位兩種方法相輔相成，相對(duì)定位雖然能實(shí)現(xiàn)連續(xù)跨站定位，但誤差會(huì)隨行駛里程累積；絕對(duì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及工程實(shí)踐

2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文利用“嫦娥五號(hào)”任務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)了著陸點(diǎn)定位方法的精度，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了立體導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)站點(diǎn)定位進(jìn)行了精度分析。

2.1.1 著陸點(diǎn)定位前期驗(yàn)證

使用“嫦娥五號(hào)”任務(wù)動(dòng)力下降過(guò)程的降落影像，基準(zhǔn)底圖選用“嫦娥二號(hào)”DOM，對(duì)前文所述的基于視覺的著陸點(diǎn)定位方法進(jìn)行驗(yàn)證。

首先，將分辨率接近“嫦娥二號(hào)”底圖的降落影像通過(guò)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(hào)”著陸點(diǎn)的位置，即在“嫦娥二號(hào)”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(diǎn)定位[24]Fig.3 Image-based localization of the lander[24]

為了進(jìn)一步驗(yàn)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(diǎn)的位置被確定為（51.915 6°W，43.059 1°N），見圖4（a）。“嫦娥五號(hào)”著陸月面后一天 ，2020年12月2日14:53:55 UTC獲取了著陸點(diǎn)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(shí)驗(yàn)表明，基于視覺的著陸點(diǎn)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(diǎn)定位結(jié)果（CE2 DOM）與LROC團(tuán)隊(duì)定位結(jié)果的位置偏差也小于30 m。

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

2.1.2 站點(diǎn)定位仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證前文所述的相對(duì)定位算法精度，在實(shí)驗(yàn)室開展了如下模擬實(shí)驗(yàn)。雙目CCD相機(jī)的基線約為262 cm，相機(jī)離地高度約為1.6 m，并對(duì)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行了精確標(biāo)定。利用雙目相機(jī)構(gòu)成視覺系統(tǒng)，在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)獲取相關(guān)圖像，并進(jìn)行定位計(jì)算。利用室內(nèi)GPS測(cè)量?jī)蓚€(gè)站點(diǎn)的精確位置，測(cè)量精度優(yōu)于0.3 mm。將測(cè)量值作為真值，將定位解算的結(jié)果與其進(jìn)行比較，從而評(píng)價(jià)相對(duì)定位的精度，結(jié)果如表1所示。

表1 相對(duì)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(shí)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(diǎn)的分布以及精度有關(guān)。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)建議連接點(diǎn)的個(gè)數(shù)5～7個(gè)，且分布盡量均勻。

2.2 工程實(shí)踐

“祝融號(hào)”火星車著陸火面后，利用多源圖像進(jìn)行匹配實(shí)現(xiàn)了著陸點(diǎn)精確定位，結(jié)果與后續(xù)“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器對(duì)著陸區(qū)進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)的結(jié)果一致。通過(guò)位置對(duì)比，視覺定位結(jié)果精度優(yōu)于HiRIC DOM 1個(gè)像素[20]。后續(xù)，利用多源影像進(jìn)行視覺定位的方法完成了火星車112個(gè)站點(diǎn)的連續(xù)穩(wěn)健定位。圖5為“祝融號(hào)”火星車的行駛路線和著陸區(qū)附近的坡度圖，其中各個(gè)站點(diǎn)（包括著陸點(diǎn)）位置均為視覺定位結(jié)果，圖5（a）紅色五角星為著陸點(diǎn)，綠點(diǎn)為每個(gè)火星日的起始移動(dòng)站點(diǎn)，黃色曲線為地面規(guī)劃移動(dòng)路線，綠色虛線為自主規(guī)劃移動(dòng)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(hào)”火星車著陸區(qū)整體較為平坦，著陸點(diǎn)以南3 km范圍內(nèi)的高程差不超過(guò)20 m，平均坡度約為3.8°，著陸點(diǎn)周圍79%的撞擊坑直徑均≤10 m[27]。

2.2.1 著陸點(diǎn)定位工程實(shí)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(jī)圖像采用圓柱投影進(jìn)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(yuǎn)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(shí)導(dǎo)航地形相機(jī)的俯仰角為–5°，這些特征均可通過(guò)其在NaTeCam圖像的位置計(jì)算得到觀測(cè)的方位角?？紤]到全景影像上與環(huán)繞器DOM的觀測(cè)視角差異較大，難以直接進(jìn)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(guò)變換連續(xù)視角輔助進(jìn)行地標(biāo)配對(duì)結(jié)果的驗(yàn)證。

圖6 導(dǎo)航地形相機(jī)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(gè)地標(biāo)像點(diǎn)位置計(jì)算至原始NaTeCam圖像上。每幅NaTeCam影像的外方位元素可通過(guò)火星車車體航向和桅桿3個(gè)關(guān)節(jié)角計(jì)算得到。通過(guò)影像外方位及地標(biāo)在影像的像點(diǎn)位置，基于共線方程可直接計(jì)算每個(gè)地標(biāo)的方位角?；谧钚《?，著陸點(diǎn)位置可通過(guò)最小化地標(biāo)方位角誤差計(jì)算得到。在仿真圖像的輔助下，可實(shí)現(xiàn)環(huán)拍影像與環(huán)繞器高分影像之間的地標(biāo)配對(duì)，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(diǎn)代表著陸點(diǎn)位置，紅線代表地標(biāo)的方位線。

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

通過(guò)方位角交會(huì)計(jì)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(jìn)行圖像匹配，并將它們與環(huán)繞器HiRIC DOM進(jìn)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(jìn)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(wèn)一號(hào)”的著陸區(qū)圖像，該研究定位結(jié)果一并得到了驗(yàn)證。

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

2.2.2 站點(diǎn)定位工程實(shí)踐及分析

截止前100個(gè)火星日，火星車已累計(jì)移動(dòng)112次，利用基于光束法平差的定位方法對(duì)所有站點(diǎn)進(jìn)行了相對(duì)定位，由于相鄰站點(diǎn)航向角的差異一般都不大（＜30°），且移動(dòng)終點(diǎn)位置都較為平坦（俯仰角、滾動(dòng)角基本＜3°），因此利用最小二乘解算相對(duì)位置通常能取得穩(wěn)定的收斂結(jié)果。圖9（a）展示了一個(gè)匹配示例，虛線邊界為由初始定位結(jié)果預(yù)測(cè)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(diǎn)進(jìn)行輔助定位。圖9（b）為對(duì)望模式時(shí)，人工添加連接點(diǎn)的示例。

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

利用基于DOM匹配的方法對(duì)45個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了絕對(duì)定位，由于兩個(gè)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(jìn)行匹配校正的示例。

圖10 導(dǎo)航地形DOM與HiRISE DOM進(jìn)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(duì)定位結(jié)果作為站點(diǎn)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(jìn)行比較（所有結(jié)果均轉(zhuǎn)換至著陸坐標(biāo)系下），來(lái)評(píng)價(jià)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(duì)定位精度，把絕對(duì)定位精度與里程的比值記為相對(duì)定位精度，如圖11所示。

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

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

3 結(jié)束語(yǔ)

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

作為深空探測(cè)車行駛和探測(cè)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(cè)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(zhǎng)距離自主導(dǎo)航定位等方向發(fā)展，需要深空探測(cè)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。