月球南极地区及“嫦娥五号”着陆区地形模型精化研究

Building the lunar accurate digital topography model (DTM) is the primary task of the landing site optimization in lunar surface exploration. The DTM is achieved by co-registration of the DTMs from the satellite laser altimeter data and stereo images. When the DTM is achieved by using the satellite laser altimeter data，the satellite orbit deviation is the main error，especially in the complex terrain area. Hence, the project selects all laser altimeter data obtained by LRO, which date is most intensive and which precision is highest recently. Then, we use inconsistent information of the laser altimeter data’s track crossing points as constraint, and enter the current highest precision GRAIL gravity field model for orbital reconstruction, so as to weaken the influences of satellite orbit error on the accuracy of the DTM. On this basis, we obtain the DTM by co-registration of the DTMs from the satellite laser altimeter data and stereo images. Focus on the lunar south pole region and Chang’E-5 landing zone, this project will provide scientific basis for the scientific goal setting and the selection of the landing sites in Chinese lunar exploration programs.

构建月球精细地形模型（DTM）是月面巡视探测中着陆点优选的首要内容。高精度高分辨率的DTM主要是通过激光高度计数据获取的DTM与立体遥感影像获取的DTM配准来实现。当利用卫星激光高度计数据获取DTM时，卫星轨道误差是主要误差源，尤其是在地形较为复杂的区域，对DTM配准的影响更为显著。因此，本项目选取当前数据量最大、载荷精度最高的LRO探测器获取的全部激光高度计数据，借助激光高度计数据的轨道交叉点不一致性信息作为约束，并结合当前精度最高的GRAIL重力场模型进行轨道重建，减弱卫星轨道误差对月球DTM精度的影响。在此基础上，对激光高度计数据获取的DTM和立体遥感影像数据获取的DTM进行配准，得到融合多源数据且满足月球车着陆点选择的高精度DTM。本项目重点聚焦月球南极地区和“嫦娥五号”着陆区两大典型区域，为我国探月计划的任务制定和目标规划提供更加准确的地形模型。

本项目充分利用多源和多探测器数据进行联合处理，不仅数据间可以相互作为检核，更重要的是利用数据间的非一致性作为约束，构建了精细的月球“嫦娥五号”首选着陆区和月球南极区域的数字地形模型，解译了月面地形特征、光照条件和通信可达性条件，有效地支持了嫦娥任务的决策与实施。研究工作包括：①针对月球多探测器不同测高载荷的数据特征，发展了月球测高数据的处理策略，使用滤波与聚类分析相结合的方法剔除噪声点，重点通过不同轨道的交叉点平差来降低其径向误差，实现了月球测高数据的精细处理。②利用LRO并辅以SELENE和“嫦娥一号”探测器激光测高数据，通过多源测高数据的联合处理，重点构建了“嫦娥五号”着陆区融合的精细DEM。③改进模拟光照和通讯条件的射线追踪法，并基于本研究构建的LALT+LOLA DEM，对“嫦娥五号”首选着陆区吕姆克山区域的光照和通讯条件做了模拟分析。④用于激光高度计数据作为轨道确定的数据补充，可以实现数据间的相互检核和探测器的轨道重建。将交叉点不符值作为观测量加入到定轨模型中，在传统观测方程的基础上加入测高轨道交叉点信息，现已在WUDOGS系统中调试验证，并应用到“嫦娥一号”轨道精化。⑤结合“嫦娥四号”及未来小行星探测任务，开展了利用四程着陆器-轨道中继星跟踪模式实现月球远月面着陆器的精确定位、行星际深空探测中双程测速的高精度计算方法、利用零相位Kaiser窗滤波器改善MEX多普勒数据定轨精度和利用Rosetta无线电跟踪数据解算小行星(21)Lutetia质量与体积密度等扩展研究。.在本项目的支持下，在国内外核心刊物上发表论文11篇，其中，SCI收录4篇，EI收录3篇，中文核心论文3篇，正在撰写论文2篇。培养博士研究生3人，硕士研究生3人。围绕着项目研究的展开，形成了一支关于深空探测卫星数据精细处理与数据融合、着陆点优选与评价、探测器精密定轨与重力场解算的研究团队。