火星着陆器地形测图技术研究.pdf

Vo1 21 No1 1 O2 航天器工程 SPACECRAFT ENGI NEERI NG 第 2 1卷第 1 期 2 0 1 2年 2月 火星着 陆器地 形测 图技术研究 史世 平 ( 西 安测绘 研究 所 ，西安7 1 0 0 5 4 ) 摘 要 分析 了勇气号 、 机 遇 号 、 好 奇 心 号 火 星 漫游 车 和凤 凰 号 火星 着 陆 器的 测 图遥 感 器 性 能、 数据 处理技 术 和 火星地形 测 图产品 ； 提 出 了火 星地 形测 图未 来发展 的一 些趋 势 ， 如 遥 感 器向 高 分辨率 、 立体 彩 色遥感 器的 方向发展 ， 数 字立体 摄影 测量技 术和 光倾斜 测 量技术及 激光 测 高技 术 将 更加 紧密融合并相互补充， 正在 由单一的测图产品向多种数字产品发展 ， 测 图产品的精度也在大幅 度提 高。 关键 词 火 星着 陆器 ； 火星漫 游车 ； 地 形测 图； 数 字 高程 模 型 中 图分类 号 ： P 2 2 8 文献标志码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 3 8 7 4 8 2 0 1 2 0 1 0 1 8 Ana l y s i s o n To po g r a ph i c M a p pi ng Te c h n o l o g y o f M a r s La nd e r s Ab s t r a c t ：Th e m a p pi ng s e ns or pe r f o r ma nc e s， t he d a t a pr o c e s s i ng t e c h no l og y a nd ma pp i ng pr o d uc t i o ns o f S pi r i t ， Opp o r t uni t y a nd Cu r i os i t y r o v e r s，a nd Ph oe ni x 1 a n de r a r e a n a l y z e d S ome de v e l op m e nt t e n de nc i e s i n M a r s t op og r a p hi c ma p pi n g t e c hn o l og y a r e p r op o s e d，s uc h a s t he s e ns o r s wi t h hi gh r e s o l ut i on a n d s t e r e o s c o pi c c o l o r p e r f o r ma nc e， t h e f u s i on a nd c o m pl e me n t o f d i gi t a l s t e r e o i m a gi n g me a s ur e m e nt t e c h no l og y，l i gh t i nc l i n a t i o n me a s u r e me nt t e c h no l o gy a n d l a s e r he i ght m e a s u r e me nt t e c hno l o gy， t he d e v e l o p m e nt f r o m s i n gl e ma pp i n g p r od u c t i o n t o mul t i p r od uc t i o ns ， a nd t he a c c ur a c y i m p r ov e m e nt o f m a ppi ng p r od uc t i o ns Ke y wo r ds ：M a r s l a n de r； M a r s r o ve r； t op o gr a p hi c m a ppi ng； di g i t a l e l e v a t i o n mod e l 1 引言 高分辨率、 高精度火星地形数据， 特别是高分辨 率数字高程模 型( D E M) 在火星勘探和科学研究 的 各个 阶段都具有重要作用 ， 从登陆点的选择到表面 形态学的定量分析 ， 从漫游车的行进到火星矿物采 掘 ， 都离 不开 影像 和 三 维 地形 数 据 。存 在 多 种方 法 获取火星表面影像和空间地理信息 ， 建立高分辨率数 字高程模型， 其 中最有效的手段是利用环绕火星的轨 道器 ， 以及火星着陆器及其 自主行进的火星漫游车。 前者一般能获取火 星全球 的大尺度 影像 和高程 数据 ， 可制作各类 比例 尺 的火星 全球 地形 图。后 者 由于是 在更 近 的距 离 上 获取 火 星影 像 ， 因此 其 空 间分 辨 率 高 ， 可用于测绘局部地 区特大 比例 尺火 星地形 图 。两 种手段相结合， 能够更好地满足大范围、 高精度火星 探测的测绘保障需要 。自2 0世纪 9 0年代 以来 ， 美国 已向火星发射 多个 轨道 器 和着 陆器 。本 文 主要 分 析 了勇气 号 ( S p i r i t ) 、 机 遇 号 ( O p p o r t u n i t y ) 、 好 奇 心 号 ( C u r i o s i t y ) 火星漫游车 ， 以及凤凰 号 ( P h o e n i x ) 着 陆器 的测图遥感器性能 、 数 据处 理技术及 火星地形 测 图产 品 ， 提出了火星地形测 图未来发展 的一 些趋势 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 3 2 5 ；修回 日期 ： 2 0 1 1 - 1 2 2 2 作者简 介： 史世平( 1 9 6 1 一) ， 男， 高级 工程 师， 从 事航 天遥感测绘技 术研 究。E ma i l ： s h i s h i p i n g h o t ma i l c o m。 a n h C 4 5 O O 7 n a X g n p p a g M n d 柚 S w S o e S n r a e S e R n a X 第 1 期 史世平 ： 火星着陆器地形测 图技术研究 1 O 3 2 火 星漫游 车地形测图系统 2 1 勇气 号和 机遇 号火 星漫 游车 1 。 美 国 国家航 空航 天局 ( NAS A) 的勇气 号 火 星漫 游 车于 2 0 0 4年 1 月 4日在 古瑟 夫 ( Gu s e v ) 陨石坑 登 陆 ； 2 1天 后 ， 机 遇 号 火 星 漫 游 车 在 子 午 线 ( Me r i d i - a n i ) 平原登陆 。它们 的设计 寿命 为 3个 月 ， 实 际运 行 了 5年多 。两 辆漫游 车都采 用 六轮 驱动 ， 轴距 1 2 m， 都 带 有 5种 有 效 载 荷 。全 景 相 机 ( P a n c a m) 是其中重 要 的有效 载荷之一 ， 获 取 的高分 辨率立 体 影 像用 于 采 样 目标 的 选 择 ， 揭 示 漫 游 车 周 围 景 观的地形 地貌 和矿物 学 ， 为漫游 车行 进提供 数字 高程模 型等测 图产品。 全景相机包括一对高分辨率多光谱相机 ， 相机 横杆 距 地 面 1 5 I n ， 立 体 基 线 长 3 0 c m， 相 机 使 用 1 0 2 4 像元 1 0 2 4像元 的面阵 C C D探测器阵列 ， 其 光 学 系统 的有 效 焦 距 是 4 3 t r i m， 相 对 孔 径 为 F g O ( F为 焦 距 ) ， 瞬 时 视 场 角 为 0 2 7 mr a d ， 视 场 角 ( F OV) 为 1 6 。 1 6 。 。相机杆 可以在水平方 向旋转 3 6 0 。 ， 垂直方向旋转 9 0 。 ， 使全景相机方便地拍摄 全景 图像 。由于受数传下行带宽所 限， 大部分影像 在下传 之 前使 用 高质量 的基 于小 波 的有损 压缩 技术 进行数据压缩 。相机通过组合预飞行实验室测量值 和漫游车反射 目标来完成定标。根据与天空辐射模 型和太 阳的直接成像 比较 ， 相机 的绝对辐射定标精 度在 5 1 O ， 相对反射率的绝对精 度在 5 1 O 。 漫 游 车 载 计 算 机 采 用 3 2位 R AD 6 0 0 0微 处 理 器 、 1 2 8 MB RAM ， 2 5 6 MB闪存 。漫游 车执行 行 驶及 数据获取命令以一个火星 日为一个周期 ， 一个火星 日的典型行驶距离为 2 0 5 0 m， 有时会达到1 0 0 m。 安 全路 径 由人工 根 据前 一个 火星 日全 景相 机影 像及 其数字高程模型等地形测 图产品确定 ， 因此 ， 立体相 机的测 图能力以及地形制图产 品的精度和可靠性十 分 重要 。 2 2凤凰 号火 星着 陆器 NAS A 的凤 凰 号着 陆 器 是 为 了研 究 火 星 北 半 球高纬度地 区着 陆场的表 面环境而设计 的。它于 2 0 0 7年 8月发 射 ， 2 0 0 8年 5月到 达火 星 ， 在 6 5 。 N 7 5 。 N 地 区登 陆 ， 进 行 了为 期 1 5 0个 火 星 日的探 测 。 凤凰号是一个固定的着陆器 ， 带有 6种科学仪器 ， 表 面立体成像仪( S S I ) 是其 中之一。表面立体成像仪 能提供火星北极表面的高分辨率立体全景影像 ， 测 量北极登陆点的地质结构 ， 提供数字高程模 型支持 自动臂 的采 掘操 作和 获取微 粒及 云 的测量值 。它 由 两个光 学 透 镜 相 机 系 统 组 成 ， 安 装 在 距 火 星 表 面 2 m的桅杆 上 ， 每个 相机 系统包 含一个 1 0 2 4 像 元 x 1 0 2 4 像元的面阵 C C D探测器， 通过光学和红外滤 光片对 1 2种波长多光谱成像 。 利用表面立体成像仪获取 的立体影像数据， 通 过摄影测量处理技术产生登陆点周 围地形的数字高 程 模型 ， 以支持机 械臂 的操 作 。有 了这 些 数 字 高程 模型数据 ， 科 学家 和工程师能 获得 采掘 区域 的三 维虚拟观测值 ， 再加上其他数据 ， 就能更好地理解 登陆点的地貌和矿物学 。表 面立体 成像仪还能提 供采掘样 品 的多光谱影像 ， 支 持来 自其他科 学仪 器 的数 据 。 2 3 好 奇心 号火 星漫游 车 NAS A 的“ 火 星科 学 实 验 室 ” ( MS L ) 着 陆 器 在 2 0 1 1年 1 1 月 2 6日发射 ， 将在 2 0 1 2年 8月到达 火星， 在位于火星赤道以南 、 直径约为 1 5 4 k m 的盖 尔( G a l e ) 陨石坑登陆 ， 开展对火星的科学探测研究 。 “ 火 星科 学实验 室 ” 装 载 的好 奇 心 号 火 星 漫游 车 ， 采 用核 动力 驱动 ， 一天 能行走 2 0 0 m， 预计 在 火星 上工 作一个 火 星年 ( 两 个 地球 年 ) 。它 携 带 了 1 0种科 学 仪器 ， 桅 杆相机 ( Ma s t c a m) 是其 中重要 的科学仪器 之一 。桅杆相机能获取全景彩色立体影像 、 多光谱 影像和选择区域 的变焦影像 ， 以及高分辨率电视和 高分辨率立体电视观测数据。其主要 目的是观察火 星陆 地景 观 自然 地 理 学 ， 提 供登 陆地 区的 地形 地 貌 和地质沉降的完整描述 ， 支持和促进好奇心号漫游 车操作等 。桅杆相机 系统 除具 有与勇气号 和机遇 号 漫游 车 全 景 相 机 相 同 的性 能 外 ， 还 增 加 了 远 距 离变焦 、 聚焦 、 真彩色 、 高速 数据获 取处 理等 多项 功 能 。 桅 杆 相 机 系统 由两 台完 全 相 同 的相 机组 成 ， 它 们安装在漫游车的桅杆上 ， 彼此相距 2 0 e m， 提供立 体影像 。桅杆相机提供了两种影像获取模式 ， 1 2 0 0 像元 1 2 0 0 像元单框幅模式和 1