月面巡视探测器定位与制图过程中坐标系统的转换方法研究

摘要

我国的“探月工程”是中华民族历史上的重大科技工程之一。我国的探月工程分“绕、落、回”三个步骤完成。其中“绕”就是利用探月卫星(包括嫦娥-1、2号)携带的多种类型的传感器获取月球表面信息,也称为探月一期工程。“落”就是利用软着陆技术将巡视探测器成功着陆在指定的月球表面位置,利用定位和制图系统进行巡视探测器的路径规划、安全导航以及地形显示,这一步也称为探月二期工程。“回”不仅实现着陆月面,而进一步的就是需要实现巡视探测器在月面采集实验样品并能成功返回地球,这一步也称为探月三期工程。目前我国已经圆满完成了“绕”月工程,探月二期工程已经开始实施。预计2013年前后,我国的月球车将着陆月球,并开展科学探测。月面巡视探测器是探月工程二期需要研制的核心系统之一,它的高精度定位对于探月活动起着至关重要的作用。为实现巡视探测器的高精度定位,并利用巡视探测器携带的立体相机获取的影像进行高精度制图,需要涉及多个坐标系统,因此坐标系统之间的转换关系是一个需要进行深入研究的问题。本文分析了着陆器着陆以及巡视探测器行进和制图定位过程中涉及的坐标系统,对它们之间的关系作了研究,实现了多种坐标之间的转换,并在基于图像的巡视器定位系统(RoverLocater)和巡视器初始状态分析系统(Roverlnitializer)中实现了坐标转换功能。

目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究的目的与意义

1.2 课题研究现状分析及存在的主要问题

2 基础理论与方法

2.1 椭球的建立

2.1.1 基本几何参数

2.1.2 子午圈曲率半径

2.1.3 椭球面上的弧长计算

2.2 地图数学投影

2.2.1 地图数学投影变换的意义和投影方程

2.2.2 地图投影的分类

2.3 关于月球基本知识

2.3.1 关于月球形状中心和质量中心

2.3.2 关于月球几何形状

2.4 摄影测量解析基础

2.4.1 内方位元素

2.4.2 外方位元素

2.4.3 摄影测量坐标系

2.5 旋转矩阵计算方法

2.5.1 三个旋转轴组成的旋转矩阵

2.5.2 三个独立元素a_2,a_3,b_3组成的旋转矩阵

2.5.3 反对称矩阵元素a,b,c组成的旋转矩阵

2.6 高斯投影

2.6.1 高斯投影概述

2.6.2 正形投影的一般条件

3 基本坐标系统的建立

3.1 月心大地坐标系(Moon Earth Coordinate Frame-ME)

3.2 月球空间直角坐标系统(Moon Space Orthogonal Coordinate Frame-MSO)

3.3 着陆器本体坐标系(Landing Coordinate Frame-L)

3.4 巡视探测器本体坐标系(Rover Coordinate Frame-R)

3.5 相机模型坐标系(Camera Model Coordinate Frame-CM)

3.6 月球局部坐标系(Moon Local Coordinate Frame-ML)

3.7 月球着陆点制图坐标系(Moon Landing Mapping Coordinate Frame-MLM)

3.8 结点坐标系(Node Coordinate Frame-N)

4 坐标转换关系

4.1 巡视探测器位置和姿态与相机位置和姿态的转换

4.1.1 解算相机位置

4.1.2 解算相机姿态

4.2 月球局部坐标系之间以及月球局部坐标系与月球着陆点坐标系之间的转换

4.3 高斯投影坐标正反算公式

5 程序设计及计算结果分析

5.1 巡视探测器位置和姿态与相机位置和姿态之间的转换实验

5.2 月球局部坐标系之间以及局部坐标系与月球着陆点制图坐标系之间的转换实验

5.3 高斯投影实验

结论

参考文献

作者简历

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