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內容簡介

　　《地球觀測與導航技術叢書：月球和火星遙感製圖與探測車導航定位》係統闡述月球和火星遙感製圖與探測車導航定位的理論、方法技術與應用，匯集國傢863計劃、自然科學基金、973計劃和中國科學院“百人計劃”等項目支持下取得的一係列最新成果。總結月球和火星探測任務及遙感製圖與探測車定位發展現狀，係統闡述月球和火星坐標係統與控製網、月球和火星軌道器定軌定姿與遙感製圖、月球和火星探測車導航定位、月球和火星探測車影像製圖等理論和關鍵技術，最後，綜閤介紹遙感製圖與導航定位技術，在我國嫦娥三號月球車與美國勇氣號和機遇號火星車探測工程任務中的應用。

目錄

《地球觀測與導航技術叢書》齣版說明
序一
序二
前言

第1章 緒論
1.1 月球和火星探測概述
1.1.1 月球探測概述）
1.1.2 火星探測概述
1.2 月球和火星遙感製圖與探測車導航定位的意義
1.3 月球和火星遙感製圖與探測車導航定位發展現狀
1.3.1 月球遙感製圖發展現狀
1.3.2 火星遙感製圖發展現狀
1.3.3 月球和火星探測車導航定位發展現狀
1.4 月球和火星製圖和定位與對地觀測製圖和定位的差異
參考文獻

第2章 月球和火星坐標係統與控製網
2.1 月球和火星全球坐標係
2.2 月球和火星的鏇轉參數
2.3 月球和火星全球坐標係的坐標轉換
2.4 月球和火星地圖投影
2.4.1 等距圓柱投影
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 摩爾威德投影
2.4.6 等角圓錐投影
2.4.7 全球地圖投影方案
2.5 月球和火星全球控製網
2.6 用於著陸巡視探測的局部坐標係
參考文獻

第3章 月球和火星軌道器數據幾何建模與遙感製圖
3.1 月球和火星軌道器定軌定姿
3.1.1 月球和火星軌道器定軌基本原理
3.1.2 嫦娥一號和嫦娥二號軌道器的定軌
3.1.3 國外月球和火星軌道器的定軌
3.1.4 月球和火星軌道器定姿
3.2 軌道器影像嚴格幾何模型
3.2.2 外定嚮
3.3 軌道器影像光束法平差與三維製圖
3.3.1 CE-1影像姿態角常差改正
3.3.2 CE-2影像自檢校光束法平差與三維製圖
3.3.3 H影像光束法平差與三維製圖
3.4 軌道器影像通用幾何模型
3.4.1 通用幾何模型的建立
3.4.2 基於時間變量的有理函數模型
3.4.3 有理函數模型對於行星軌道器影像的適用性
3.4.4 基於有理函數模型的軌道器影像平差
3.5 激光高度計數據軌道交叉點平差
3.5.1 月球及火星激光高度計數據簡介
3.5.2 CE-1激光高度計數據軌道交叉點時空分析
3.5.3 CE-1激光高度計數據軌道交叉點平差
3.5.4 新的4H0)全月球KHA
3.6 軌道器影像和激光高度計數據配準
3.6.1 軌道器影像和激光高度計數據不一緻性分析
3.6.2 CE-1月球軌道器影像和激光高度計數據配準
3.6.3 MGS火星軌道器影像和激光高度計數據配準
參考文獻

第4章 月球和火星探測車導航定位
4.1 航跡推算法探測車定位
4.2 基於立體影像的探測車定位
4.2.1 基於視覺測程的連續定位
4.2.2 基於站點間圖像的探測車定位
4.2.3 立體相機/IMU/裏程計集成定位
4.3 基於探測車影像與軌道器影像配準的定位
4.3.1 基於石塊特徵匹配的探測車定位
4.3.2 基於地麵影像KLA同衛星影像匹配的探測車定位
4.4 恒星法探測車定位
4.5 著陸器定位
4.5.1 基於地標的交會定位
4.5.2 基於降落相機序列圖像的定位
4.6 探測車導航路徑規劃
參考文獻

第5章 月球和火星探測車影像製圖
5.1 探測車立體相機影像嚴格幾何建模
5.1.1 攝影測量模型
5.1.2 CAHV和CAHVOR模型
5.1.3 CAHVOR模型到攝影測量模型的轉換
5.1.4 攝影測量模型到CAHVOR模型的轉換
5.2 立體相機幾何標定
5.3 探測車立體影像三維測圖能力分析
5.3.1 立體相機測圖理論精度
5.3.2 火星車和月球車立體相機測圖精度
5.4 探測車影像光束法平差
5.4.1 自由網平差模型
5.4.2 帶限製條件的平差
5.4.3 光束法平差結果
5.5 探測車影像匹配與三維測圖
5.5.1 基於特徵點約束的探測車影像匹配
5.5.2 傳統馬爾可夫隨機場模型
5.5.3 自適應馬爾可夫場模型
5.5.4 探測車影像三維測圖
5.6 探測車長基綫測圖
5.6.1 探測車長基綫測圖精度
5.6.2 探測車長基綫平差結果
5.6.3 探測車長基綫影像匹配和製圖
5.7 變分辨率數字高程模型
5.7.1 變分辨率數字高程模型
5.7.2 變分辨率KHA生成算法
5.7.3 變分辨率KHA應用實驗
5.8 全景影像自動拼圖
5.8.1 柱麵全景影像拼圖
5.8.2 全景影像拼圖實驗
參考文獻

第6章 月球和火星遙感製圖與導航定位技術的工程應用
6.1 定位製圖技術在嫦娥三號月球探測任務中的應用
6.1.1 嫦娥三號定位製圖坐標係統
6.1.2 月球軌道器影像製圖
6.1.3 嫦娥三號導航相機影像製圖
6.1.4 嫦娥三號著陸點定位
6.1.5 嫦娥三號月球車定位
6.1.6 嫦娥三號月球車巡視探測路徑規劃
6.1.7 嫦娥三號遙操作成果製圖係統
6.1.8 嫦娥三號定位製圖産品的科學應用探討
6.2 定位製圖技術在美國火星車探測任務中的應用
6.2.1 軌道器影像著陸區製圖
6.2.2 火星車製圖産品
6.2.3 火星車著陸點定位
6.2.4 火星車定位
6.2.5 火星車定位製圖産品可視化與發布
6.2.6 火星車定位製圖産品的科學應用
參考文獻
索引

精彩書摘

　　《地球觀測與導航技術叢書：月球和火星遙感製圖與探測車導航定位》：
　　第1章 緒 論
　　本章首先簡要總結國際國內月球和火星探測任務，包括其科學目標和所搭載的科學儀器等，介紹與遙感製圖和導航定位相關的影像傳感器和激光高度計等儀器的參數；接著闡述月球和火星遙感製圖與探測車導航定位在行星科學研究和探測工程任務實施中的重要意義；概述國際國內月球和火星遙感製圖與探測車導航定位的發展現狀；最後論述月球和火星製圖和定位與對地觀測製圖和定位的差異，進而梳理齣月球和火星遙感製圖與探測車導航定位研究和應用中重點要解決的科學技術問題。
　　1.1 月球和火星探測概述
　　對地外天體的探測是人類自古以來的夢想，是科技發展的必然，也是大國的國傢戰略需求。一係列深空探測任務的實施，不僅大大深化瞭人類對行星起源和演化的科學認識，也帶動瞭相關高新技術的發展和應用。月球和火星是人類進行空間觀測和探測最多的地外天體，本節分彆對月球和火星探測任務做一簡要介紹。
　　1.1.1 月球探測概述
　　從20世紀50年代末始至今，月球探測經曆瞭第一次探月高潮、探月寜靜期和第二次探月高潮三個階段，對月探測技術經曆瞭飛越月球、硬著陸、環繞月球、軟著陸、無人采樣返迴、載人登月階段（歐陽自遠，2005）。先後獲得的海量遙感觀測數據和豐富的科掌資料為月球科學研究奠定瞭基礎。
　　1959~1976年，人類掀起第一次探月高潮，美國和蘇聯共發射瞭108顆月球探測器，其中成功發射48顆，獲得瞭海量科學數據；實現瞭6次載人登月，12名宇航員完成月球漫步，共獲得瞭381.7 kg月球樣品。
　　此間蘇聯發射的月球探測器包括月球（ I.una）係列（1959~1976年）、宇宙（Cosmos）係列（1965~1969年）、探測器（Zond）係列（1965~1970年）、月球車（I.unokhod）係列（1970~1973年）等。其中，月球3號衛星於1959年10月第一次拍攝瞭月球影像，並且獲得瞭首張月球背麵影像。月球16號、20號和24號進行瞭不載人登月取樣，且月球16號於1970年9月實現瞭第一次機器人采樣返迴。月球車1號（I.unokhod-l）於1971年9月實現瞭第一次不載人月球車月麵巡視探測。
　　此間美國發射的月球探測器包括先驅者（ Pioneer）係列（1958~1959年）、徘徊者（ Ranger）係列（19 61~1965年）、月球軌道器（I川nar Orbiter）係列（1966~1967年）、勘探者（ Surveyor）係列（1966~1968午）以及阿波羅（Apollo）係列（1967~1972年）等。其中，月球軌道器1~3號圍繞月球赤道飛行，軌道器4號、5號運行於月球極地軌道；軌道器4號拍攝瞭整個月球正麵與95%的月球背麵；軌道器5號拍攝瞭整個月球背麵，並獲得36處預選著陸點的中等分辨率和高分辨率影像。利用這些數據，最終繪製瞭覆蓋月球錶麵99%區域、平均分辨率約為60 m的月球地圖，選齣瞭10個可供阿波羅飛船著陸的候選登月點（Bowker and Hughes，19 71）。阿波羅11號飛船於1969年7月實現瞭首次載人登月，宇航員阿姆斯特朗在月球錶麵留下瞭人類第一個腳印；阿波羅12號、14號、15號、16號、17號進行瞭載人登月取樣，其中，15號於1971年7月實現瞭第一次載人月球車月麵巡視探測（ Grabois，2011）。
　　1976~1994年是月球探測的寜靜期，期間世界上沒有進行過任何成功的月球探測活動。
　　20世紀90年代月球探測活動開始復蘇，美國於1994年和1998年分彆發射瞭剋萊門汀（ Clementine）和月球勘探者號（I.unar Prospector）月球探測器。剋萊門汀的主要科學目標是在月球極地軌道探測月球地貌、水冰、重力和磁場等。它攜帶的科學儀器包括紫外/可見光相機（分辨率200 m）、近紅外相機、長波紅外相機、高分辨率攝影機（分辨率7~20 m）、帶電粒子望遠鏡、激光雷達係統（垂直分辨率40 m）和兩颱星跟蹤器相機（Nozetteet a1。，1994）。月球勘探者號的主要科學目標是探測月錶物質組成、重力場和磁場，尋找月球存在冰或水的證據，攜載的科學儀器包括伽馬射綫光譜儀（Gamma ray spectrome-ter，GRS）、中子光譜儀、多普勒重力實驗儀、儀粒子光譜儀、電子反射儀和磁力計（Hub-bard et al.，1997）。
　　21世紀初，國際第二次探月高潮拉開序幕，已經發射的月球探測器主要包括歐盟2003年9月發射的智慧一號（SMART-1），日本2007年9月發射的月亮女神（SELENE，又稱KAGUYA），印度2008年10月發射的月船一號（Chandrayaan-l），美國2009年6月發射的月球偵察軌道器（I.unar reconnaissance orbiter，LRO）、2011年9月發射的聖杯號月球重力和內部結構探測器（ GRAII.）、2013年9月發射的月球大氣與塵埃環境探測器（I.ADEE），中國2007年10月發射的嫦娥一號軌道器、2010年10月發射的嫦娥二號軌道器、2013年12月2日發射12月14日成功落月的嫦娥三號著陸器和巡視器。
　　歐盟發射的智慧一號的主要科學目標是測試太陽能離子推進器，探測月殊形狀、礦物、化學組成和外部環境等；包括一顆主軌道器和兩顆子衛星，主軌道器在距月錶100 km的環形軌道上飛行；攜載的載荷包括微型成像儀（分辨率平均80 m，近月點30 m）、紅外譜儀（光譜分辨率6 nm，空間分辨率300 m）、X射綫譜儀、X射綫太陽監視儀、電推進數據診斷包、Ka波段測控試驗包、粒子與塵埃探測儀（Foing et al.，2006）。
　　日本月亮女神任務的科學目標包括：進行全月球的高精度觀測以研究月球的起源和演變，研究未來月球利用和載人探測的可能性，開發未來月球探測技術；搭載15種有效載荷，包括地形測繪相機（立體成像，分辨率10 m）、多波段成像儀（可見光和近紅外波段的空間分辨率分彆為20 m和62 m）、連續光譜測量儀、激光高度計（測距分辨率5 m、空間分辨率800 m）、X射綫譜儀（空間分辨率20 km）、伽馬射綫譜儀、測月雷達、月球磁強計、帶電粒子譜儀、等離子體分析儀、無綫電掩星觀測、差分甚長基綫乾涉測量射電源、上層大氣和等離子體成像儀、中繼衛星轉發器、高清電視攝像機（Kato et a1.，2008）。
　　印度發射的月船一號在可見光、近紅外、低能X射綫和高能X射綫譜區對月球進行高分辨率遙感觀測。具休科學目標是：生成月球正麵和背麵的三維圖集，對全月麵進行化學和礦物學製圖，通過影像地質學和礦物學等手段識彆月球地質單元、研究月球的早期演化史。它共攜帶11颱有效載荷：地形測繪相機（立體成像，空間分辨率5 m）、月球激光測距儀（測距分辨率優於5 m）、月球礦物製圖儀（光譜分辨率10 nm，空間分辨率70 m）、小型閤成孔徑雷達（空間分辨率75 m）、高光譜成像儀（光譜分辨率15 nm，空間分辨率80 m）、高能X射綫/伽馬射綫譜儀、輻射劑量檢測實驗儀、近紅外光譜儀（光譜分辨率為6 nm）、亞韆電子伏原子反射分析儀、X射綫譜儀、月麵撞擊探測器（Goswami and Anna-durai，2009）。
　　月球偵察軌道器是美國重返月球戰略計劃的第一步，具體科學目標是探測月球極區的光照條件，測繪全月麵地形，尋找未來登月點的位置，勘測月球的潛在資源。I.RO攜載7大科學儀器：月球偵察軌道器相機（寬角相機分辨率100 m，窄角相機分辨率0.5~2 m）、月球軌道器激光高度計（I.unar orbiter laser altimeter，I.OI.A）、月球勘探中子探測器、月球輻射計實驗、萊曼阿爾法製圖儀、輻射效應宇宙射綫望遠鏡、微型射頻雷達（ Chinet a1.，2007）。其中，LRO攜載的窄角相機以其0.5 m的超高分辨率影像，可以直接觀測到以往著陸探測留下的登周艙、激光反射標誌、阿波羅月麵科學實驗組件、月球車行駛車轍等。LRO寬角相機影像一個月就可以覆蓋月球全球一次，經多次重復觀測構成的立體觀測，用於製作全球影像拼圖和全球數字高程模型（ digital elevation model，DEM）。月球軌道器激光高度計的激光波長為1064.4 nm，激光重復頻率為l Hz，測距分辨率為10 cm。它同時發射和接收5束激光，因此在同一軌道上能夠同時獲取5個測高剖麵，其中，相鄰測高剖麵間距10~12 m，同一剖麵上相鄰激光點間距56 m。由I.OI.A數據製作的月球全球高程模型成為目前國際上精度最高的全球模型和通用的月球製圖控製數據（ Smith et a1.，2010）。
　　美國聖杯號探測任務的主要目標是獲取迄今為止精度最高的月球重力場數據，探測月球的內部結構和演化曆史。它采用雙子衛星探測器係統，由搭載的月球重力測距係統精確測量兩個探測器間距離的變化來確定和精化月球重力場，進而通過重力場與月球地形特徵對比推演月球內部構造（Tapley et a1.，2004）。
　　我國的月球探測“嫦娥計劃”於2004正式啓動，分為環月探測、月麵軟著陸探測與月球車月麵巡視勘查、月麵自動采樣返迴三個盼段，簡稱“繞”、“落”、“迴”，目前已順利完成前兩個階段的工程任務（歐陽自遠，2005；葉培建、彭兢，2006）。
　　嫦娥一號（Chang'E-l，CE-1）是中國首顆繞月探測衛星，主要科學目標是：獲取月球錶麵的三維立體影像，分析月球錶麵有用元素的含量、物質類型及分布特點、探測月壤特性，探測地月空間環境（葉培建等，2007；Ouyang et a1.，2008）。2007年10月24日，嫦娥一號衛星在西昌衛星發射中心成功發射升空；2007年11月7日，嫦娥一號進入距月麵200 km高的極地軌道，開始科學探測；2009年3月1日，嫦娥一號受控撞擊月球的豐富海區域，圓滿完成科學探測使命。嫦娥一號共搭載8種有效載荷：三綫陣CCD立體相機（分辨率120 m）、激光高度計（激光波長1064 nm，激光重復頻率1 Hz，測距分辨率1 m）、乾涉成像光譜儀（譜段範圍為480~960 nm，共有32個譜段）、伽馬射綫譜儀、X射綫譜儀、微波探測儀、高能粒子探測儀、太陽風離子探測儀（葉培建等，2008；歐陽自遠等，2010）。
　　嫦娥二號（Chang'E-2，CE-2）衛星於2010年10月1日在西昌衛星發射中心發射升空，其探周軌道為100 km×100 km的圓軌道和100 km×15 km的橢圓軌道，前者用於常規全月探測，後者著重對嫦娥三號著陸區進行精細探測。嫦娥二號的主要科學目標是獲取月錶高分辨率的立體圖像，對月球著陸區和其他重點區域進行精細測繪，精細探測月麵的元素豐度與分布，評估月壤厚度和氦一3資源，探測地月空間環境；其工程上的主要任務是驗證與月麵軟著陸相關的關鍵技術，試驗新的奔月軌道，降低探月工程二期的技術風險（歐陽自遠，2010；葉培建等，2013）。嫦娥二號衛星搭載的載荷包括：新研製的高分辨率CCD立體相機（在100 km和15 km飛行高度的空間分辨率分彆是7m和1.5 m），其他載荷如激光高度計、X射綫譜儀、伽馬射綫譜儀、微波探測器、高能粒子探測器、太陽風離子探測器與嫦娥一號基本相同，僅作瞭少量的適應性改造。2011年4月1日，嫦娥二號衛星半年設計壽命期滿，全麵實現瞭既定的工程目標和科學探測任務；6月9日，飛離月球軌道進行深空探測；8月25日，受控進入距離地球約150萬km的拉格朗日L2點的環繞軌道，進行擴展試驗。2012年12月13日，嫦娥二號成功飛抵距地球約700萬km遠的深空，首次實現對圖塔蒂斯（Toutatis）小行星的飛越探測，星載監視相機對小行星進行瞭光學成像。2013午1月5日，嫦娥二號衛星受控突破距離地球1000萬km的太陽係空間，使我國深空探測能力得到新的躍升。
　　……

前言/序言

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