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内容简介

　　《地球观测与导航技术丛书：月球和火星遥感制图与探测车导航定位》系统阐述月球和火星遥感制图与探测车导航定位的理论、方法技术与应用，汇集国家863计划、自然科学基金、973计划和中国科学院“百人计划”等项目支持下取得的一系列最新成果。总结月球和火星探测任务及遥感制图与探测车定位发展现状，系统阐述月球和火星坐标系统与控制网、月球和火星轨道器定轨定姿与遥感制图、月球和火星探测车导航定位、月球和火星探测车影像制图等理论和关键技术，最后，综合介绍遥感制图与导航定位技术，在我国嫦娥三号月球车与美国勇气号和机遇号火星车探测工程任务中的应用。

目录

《地球观测与导航技术丛书》出版说明
序一
序二
前言

第1章 绪论
1.1 月球和火星探测概述
1.1.1 月球探测概述）
1.1.2 火星探测概述
1.2 月球和火星遥感制图与探测车导航定位的意义
1.3 月球和火星遥感制图与探测车导航定位发展现状
1.3.1 月球遥感制图发展现状
1.3.2 火星遥感制图发展现状
1.3.3 月球和火星探测车导航定位发展现状
1.4 月球和火星制图和定位与对地观测制图和定位的差异
参考文献

第2章 月球和火星坐标系统与控制网
2.1 月球和火星全球坐标系
2.2 月球和火星的旋转参数
2.3 月球和火星全球坐标系的坐标转换
2.4 月球和火星地图投影
2.4.1 等距圆柱投影
2.4.2 墨卡托投影
2.4.3 等角方位投影
2.4.4 正射投影
2.4.5 摩尔威德投影
2.4.6 等角圆锥投影
2.4.7 全球地图投影方案
2.5 月球和火星全球控制网
2.6 用于着陆巡视探测的局部坐标系
参考文献

第3章 月球和火星轨道器数据几何建模与遥感制图
3.1 月球和火星轨道器定轨定姿
3.1.1 月球和火星轨道器定轨基本原理
3.1.2 嫦娥一号和嫦娥二号轨道器的定轨
3.1.3 国外月球和火星轨道器的定轨
3.1.4 月球和火星轨道器定姿
3.2 轨道器影像严格几何模型
3.2.2 外定向
3.3 轨道器影像光束法平差与三维制图
3.3.1 CE-1影像姿态角常差改正
3.3.2 CE-2影像自检校光束法平差与三维制图
3.3.3 H影像光束法平差与三维制图
3.4 轨道器影像通用几何模型
3.4.1 通用几何模型的建立
3.4.2 基于时间变量的有理函数模型
3.4.3 有理函数模型对于行星轨道器影像的适用性
3.4.4 基于有理函数模型的轨道器影像平差
3.5 激光高度计数据轨道交叉点平差
3.5.1 月球及火星激光高度计数据简介
3.5.2 CE-1激光高度计数据轨道交叉点时空分析
3.5.3 CE-1激光高度计数据轨道交叉点平差
3.5.4 新的4H0)全月球KHA
3.6 轨道器影像和激光高度计数据配准
3.6.1 轨道器影像和激光高度计数据不一致性分析
3.6.2 CE-1月球轨道器影像和激光高度计数据配准
3.6.3 MGS火星轨道器影像和激光高度计数据配准
参考文献

第4章 月球和火星探测车导航定位
4.1 航迹推算法探测车定位
4.2 基于立体影像的探测车定位
4.2.1 基于视觉测程的连续定位
4.2.2 基于站点间图像的探测车定位
4.2.3 立体相机/IMU/里程计集成定位
4.3 基于探测车影像与轨道器影像配准的定位
4.3.1 基于石块特征匹配的探测车定位
4.3.2 基于地面影像KLA同卫星影像匹配的探测车定位
4.4 恒星法探测车定位
4.5 着陆器定位
4.5.1 基于地标的交会定位
4.5.2 基于降落相机序列图像的定位
4.6 探测车导航路径规划
参考文献

第5章 月球和火星探测车影像制图
5.1 探测车立体相机影像严格几何建模
5.1.1 摄影测量模型
5.1.2 CAHV和CAHVOR模型
5.1.3 CAHVOR模型到摄影测量模型的转换
5.1.4 摄影测量模型到CAHVOR模型的转换
5.2 立体相机几何标定
5.3 探测车立体影像三维测图能力分析
5.3.1 立体相机测图理论精度
5.3.2 火星车和月球车立体相机测图精度
5.4 探测车影像光束法平差
5.4.1 自由网平差模型
5.4.2 带限制条件的平差
5.4.3 光束法平差结果
5.5 探测车影像匹配与三维测图
5.5.1 基于特征点约束的探测车影像匹配
5.5.2 传统马尔可夫随机场模型
5.5.3 自适应马尔可夫场模型
5.5.4 探测车影像三维测图
5.6 探测车长基线测图
5.6.1 探测车长基线测图精度
5.6.2 探测车长基线平差结果
5.6.3 探测车长基线影像匹配和制图
5.7 变分辨率数字高程模型
5.7.1 变分辨率数字高程模型
5.7.2 变分辨率KHA生成算法
5.7.3 变分辨率KHA应用实验
5.8 全景影像自动拼图
5.8.1 柱面全景影像拼图
5.8.2 全景影像拼图实验
参考文献

第6章 月球和火星遥感制图与导航定位技术的工程应用
6.1 定位制图技术在嫦娥三号月球探测任务中的应用
6.1.1 嫦娥三号定位制图坐标系统
6.1.2 月球轨道器影像制图
6.1.3 嫦娥三号导航相机影像制图
6.1.4 嫦娥三号着陆点定位
6.1.5 嫦娥三号月球车定位
6.1.6 嫦娥三号月球车巡视探测路径规划
6.1.7 嫦娥三号遥操作成果制图系统
6.1.8 嫦娥三号定位制图产品的科学应用探讨
6.2 定位制图技术在美国火星车探测任务中的应用
6.2.1 轨道器影像着陆区制图
6.2.2 火星车制图产品
6.2.3 火星车着陆点定位
6.2.4 火星车定位
6.2.5 火星车定位制图产品可视化与发布
6.2.6 火星车定位制图产品的科学应用
参考文献
索引

精彩书摘

　　《地球观测与导航技术丛书：月球和火星遥感制图与探测车导航定位》：
　　第1章 绪 论
　　本章首先简要总结国际国内月球和火星探测任务，包括其科学目标和所搭载的科学仪器等，介绍与遥感制图和导航定位相关的影像传感器和激光高度计等仪器的参数；接着阐述月球和火星遥感制图与探测车导航定位在行星科学研究和探测工程任务实施中的重要意义；概述国际国内月球和火星遥感制图与探测车导航定位的发展现状；最后论述月球和火星制图和定位与对地观测制图和定位的差异，进而梳理出月球和火星遥感制图与探测车导航定位研究和应用中重点要解决的科学技术问题。
　　1.1 月球和火星探测概述
　　对地外天体的探测是人类自古以来的梦想，是科技发展的必然，也是大国的国家战略需求。一系列深空探测任务的实施，不仅大大深化了人类对行星起源和演化的科学认识，也带动了相关高新技术的发展和应用。月球和火星是人类进行空间观测和探测最多的地外天体，本节分别对月球和火星探测任务做一简要介绍。
　　1.1.1 月球探测概述
　　从20世纪50年代末始至今，月球探测经历了第一次探月高潮、探月宁静期和第二次探月高潮三个阶段，对月探测技术经历了飞越月球、硬着陆、环绕月球、软着陆、无人采样返回、载人登月阶段（欧阳自远，2005）。先后获得的海量遥感观测数据和丰富的科掌资料为月球科学研究奠定了基础。
　　1959~1976年，人类掀起第一次探月高潮，美国和苏联共发射了108颗月球探测器，其中成功发射48颗，获得了海量科学数据；实现了6次载人登月，12名宇航员完成月球漫步，共获得了381.7 kg月球样品。
　　此间苏联发射的月球探测器包括月球（ I.una）系列（1959~1976年）、宇宙（Cosmos）系列（1965~1969年）、探测器（Zond）系列（1965~1970年）、月球车（I.unokhod）系列（1970~1973年）等。其中，月球3号卫星于1959年10月第一次拍摄了月球影像，并且获得了首张月球背面影像。月球16号、20号和24号进行了不载人登月取样，且月球16号于1970年9月实现了第一次机器人采样返回。月球车1号（I.unokhod-l）于1971年9月实现了第一次不载人月球车月面巡视探测。
　　此间美国发射的月球探测器包括先驱者（ Pioneer）系列（1958~1959年）、徘徊者（ Ranger）系列（19 61~1965年）、月球轨道器（I川nar Orbiter）系列（1966~1967年）、勘探者（ Surveyor）系列（1966~1968午）以及阿波罗（Apollo）系列（1967~1972年）等。其中，月球轨道器1~3号围绕月球赤道飞行，轨道器4号、5号运行于月球极地轨道；轨道器4号拍摄了整个月球正面与95%的月球背面；轨道器5号拍摄了整个月球背面，并获得36处预选着陆点的中等分辨率和高分辨率影像。利用这些数据，最终绘制了覆盖月球表面99%区域、平均分辨率约为60 m的月球地图，选出了10个可供阿波罗飞船着陆的候选登月点（Bowker and Hughes，19 71）。阿波罗11号飞船于1969年7月实现了首次载人登月，宇航员阿姆斯特朗在月球表面留下了人类第一个脚印；阿波罗12号、14号、15号、16号、17号进行了载人登月取样，其中，15号于1971年7月实现了第一次载人月球车月面巡视探测（ Grabois，2011）。
　　1976~1994年是月球探测的宁静期，期间世界上没有进行过任何成功的月球探测活动。
　　20世纪90年代月球探测活动开始复苏，美国于1994年和1998年分别发射了克莱门汀（ Clementine）和月球勘探者号（I.unar Prospector）月球探测器。克莱门汀的主要科学目标是在月球极地轨道探测月球地貌、水冰、重力和磁场等。它携带的科学仪器包括紫外/可见光相机（分辨率200 m）、近红外相机、长波红外相机、高分辨率摄影机（分辨率7~20 m）、带电粒子望远镜、激光雷达系统（垂直分辨率40 m）和两台星跟踪器相机（Nozetteet a1。，1994）。月球勘探者号的主要科学目标是探测月表物质组成、重力场和磁场，寻找月球存在冰或水的证据，携载的科学仪器包括伽马射线光谱仪（Gamma ray spectrome-ter，GRS）、中子光谱仪、多普勒重力实验仪、仪粒子光谱仪、电子反射仪和磁力计（Hub-bard et al.，1997）。
　　21世纪初，国际第二次探月高潮拉开序幕，已经发射的月球探测器主要包括欧盟2003年9月发射的智慧一号（SMART-1），日本2007年9月发射的月亮女神（SELENE，又称KAGUYA），印度2008年10月发射的月船一号（Chandrayaan-l），美国2009年6月发射的月球侦察轨道器（I.unar reconnaissance orbiter，LRO）、2011年9月发射的圣杯号月球重力和内部结构探测器（ GRAII.）、2013年9月发射的月球大气与尘埃环境探测器（I.ADEE），中国2007年10月发射的嫦娥一号轨道器、2010年10月发射的嫦娥二号轨道器、2013年12月2日发射12月14日成功落月的嫦娥三号着陆器和巡视器。
　　欧盟发射的智慧一号的主要科学目标是测试太阳能离子推进器，探测月殊形状、矿物、化学组成和外部环境等；包括一颗主轨道器和两颗子卫星，主轨道器在距月表100 km的环形轨道上飞行；携载的载荷包括微型成像仪（分辨率平均80 m，近月点30 m）、红外谱仪（光谱分辨率6 nm，空间分辨率300 m）、X射线谱仪、X射线太阳监视仪、电推进数据诊断包、Ka波段测控试验包、粒子与尘埃探测仪（Foing et al.，2006）。
　　日本月亮女神任务的科学目标包括：进行全月球的高精度观测以研究月球的起源和演变，研究未来月球利用和载人探测的可能性，开发未来月球探测技术；搭载15种有效载荷，包括地形测绘相机（立体成像，分辨率10 m）、多波段成像仪（可见光和近红外波段的空间分辨率分别为20 m和62 m）、连续光谱测量仪、激光高度计（测距分辨率5 m、空间分辨率800 m）、X射线谱仪（空间分辨率20 km）、伽马射线谱仪、测月雷达、月球磁强计、带电粒子谱仪、等离子体分析仪、无线电掩星观测、差分甚长基线干涉测量射电源、上层大气和等离子体成像仪、中继卫星转发器、高清电视摄像机（Kato et a1.，2008）。
　　印度发射的月船一号在可见光、近红外、低能X射线和高能X射线谱区对月球进行高分辨率遥感观测。具休科学目标是：生成月球正面和背面的三维图集，对全月面进行化学和矿物学制图，通过影像地质学和矿物学等手段识别月球地质单元、研究月球的早期演化史。它共携带11台有效载荷：地形测绘相机（立体成像，空间分辨率5 m）、月球激光测距仪（测距分辨率优于5 m）、月球矿物制图仪（光谱分辨率10 nm，空间分辨率70 m）、小型合成孔径雷达（空间分辨率75 m）、高光谱成像仪（光谱分辨率15 nm，空间分辨率80 m）、高能X射线/伽马射线谱仪、辐射剂量检测实验仪、近红外光谱仪（光谱分辨率为6 nm）、亚千电子伏原子反射分析仪、X射线谱仪、月面撞击探测器（Goswami and Anna-durai，2009）。
　　月球侦察轨道器是美国重返月球战略计划的第一步，具体科学目标是探测月球极区的光照条件，测绘全月面地形，寻找未来登月点的位置，勘测月球的潜在资源。I.RO携载7大科学仪器：月球侦察轨道器相机（宽角相机分辨率100 m，窄角相机分辨率0.5~2 m）、月球轨道器激光高度计（I.unar orbiter laser altimeter，I.OI.A）、月球勘探中子探测器、月球辐射计实验、莱曼阿尔法制图仪、辐射效应宇宙射线望远镜、微型射频雷达（ Chinet a1.，2007）。其中，LRO携载的窄角相机以其0.5 m的超高分辨率影像，可以直接观测到以往着陆探测留下的登周舱、激光反射标志、阿波罗月面科学实验组件、月球车行驶车辙等。LRO宽角相机影像一个月就可以覆盖月球全球一次，经多次重复观测构成的立体观测，用于制作全球影像拼图和全球数字高程模型（ digital elevation model，DEM）。月球轨道器激光高度计的激光波长为1064.4 nm，激光重复频率为l Hz，测距分辨率为10 cm。它同时发射和接收5束激光，因此在同一轨道上能够同时获取5个测高剖面，其中，相邻测高剖面间距10~12 m，同一剖面上相邻激光点间距56 m。由I.OI.A数据制作的月球全球高程模型成为目前国际上精度最高的全球模型和通用的月球制图控制数据（ Smith et a1.，2010）。
　　美国圣杯号探测任务的主要目标是获取迄今为止精度最高的月球重力场数据，探测月球的内部结构和演化历史。它采用双子卫星探测器系统，由搭载的月球重力测距系统精确测量两个探测器间距离的变化来确定和精化月球重力场，进而通过重力场与月球地形特征对比推演月球内部构造（Tapley et a1.，2004）。
　　我国的月球探测“嫦娥计划”于2004正式启动，分为环月探测、月面软着陆探测与月球车月面巡视勘查、月面自动采样返回三个盼段，简称“绕”、“落”、“回”，目前已顺利完成前两个阶段的工程任务（欧阳自远，2005；叶培建、彭兢，2006）。
　　嫦娥一号（Chang'E-l，CE-1）是中国首颗绕月探测卫星，主要科学目标是：获取月球表面的三维立体影像，分析月球表面有用元素的含量、物质类型及分布特点、探测月壤特性，探测地月空间环境（叶培建等，2007；Ouyang et a1.，2008）。2007年10月24日，嫦娥一号卫星在西昌卫星发射中心成功发射升空；2007年11月7日，嫦娥一号进入距月面200 km高的极地轨道，开始科学探测；2009年3月1日，嫦娥一号受控撞击月球的丰富海区域，圆满完成科学探测使命。嫦娥一号共搭载8种有效载荷：三线阵CCD立体相机（分辨率120 m）、激光高度计（激光波长1064 nm，激光重复频率1 Hz，测距分辨率1 m）、干涉成像光谱仪（谱段范围为480~960 nm，共有32个谱段）、伽马射线谱仪、X射线谱仪、微波探测仪、高能粒子探测仪、太阳风离子探测仪（叶培建等，2008；欧阳自远等，2010）。
　　嫦娥二号（Chang'E-2，CE-2）卫星于2010年10月1日在西昌卫星发射中心发射升空，其探周轨道为100 km×100 km的圆轨道和100 km×15 km的椭圆轨道，前者用于常规全月探测，后者着重对嫦娥三号着陆区进行精细探测。嫦娥二号的主要科学目标是获取月表高分辨率的立体图像，对月球着陆区和其他重点区域进行精细测绘，精细探测月面的元素丰度与分布，评估月壤厚度和氦一3资源，探测地月空间环境；其工程上的主要任务是验证与月面软着陆相关的关键技术，试验新的奔月轨道，降低探月工程二期的技术风险（欧阳自远，2010；叶培建等，2013）。嫦娥二号卫星搭载的载荷包括：新研制的高分辨率CCD立体相机（在100 km和15 km飞行高度的空间分辨率分别是7m和1.5 m），其他载荷如激光高度计、X射线谱仪、伽马射线谱仪、微波探测器、高能粒子探测器、太阳风离子探测器与嫦娥一号基本相同，仅作了少量的适应性改造。2011年4月1日，嫦娥二号卫星半年设计寿命期满，全面实现了既定的工程目标和科学探测任务；6月9日，飞离月球轨道进行深空探测；8月25日，受控进入距离地球约150万km的拉格朗日L2点的环绕轨道，进行扩展试验。2012年12月13日，嫦娥二号成功飞抵距地球约700万km远的深空，首次实现对图塔蒂斯（Toutatis）小行星的飞越探测，星载监视相机对小行星进行了光学成像。2013午1月5日，嫦娥二号卫星受控突破距离地球1000万km的太阳系空间，使我国深空探测能力得到新的跃升。
　　……

前言/序言

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