摘 要 ：天问一号火星探测工程任务中，祝融号火星车成功登陆火星表面，随后开展了巡视探测工作。视觉定位与地形制图是保障祝融号在火星表面安全行驶与高效探测的关键技术。中国科学院空天信息创新研究院与北京航天飞行控制中心联合开展了火星车视觉定位与地形制图技术研究，所研发的技术和软件业务化应用于天问一号工程任务，在着陆点定位、着陆区地形重建、导航点视觉定位及遥操作成果制图决策支持等方面做出了重要贡献，为天问一号巡视探测任务的成功实施提供了有力支撑。

天问一号着陆器携带祝融号火星车于2021年5月15日成功着陆火星乌托邦平原南部预选着陆区。随后，祝融号驶离着陆器平台开启了火星表面巡视探测，其基本操作方式是：在行驶路线的站点 (导航点)上使用车载多传感器获取数据，利用地面控制中心上载指令的的遥操作模式或火星车在线运算的自主控制模式，在获取定位与地形信息的基础上，控制火星车避开撞击坑、石块等障碍，安全行驶至下一个站点直至需要探测的科学目标位置。因此，高精度的定位与地形制图是确保祝融号火星车安全实施巡视探测的关键。截止2022年5月18日祝融号休眠前，车上里程计记录祝融号在火星表面行驶了1921米。

着陆后，首先需要准确着陆点的精确位置，并作为原点建立着陆区制图坐标系，支持后续巡视探测任务的实施。利用先期下传的火星车360°拍摄的全景影像提取远处山峰、大型撞击坑边缘等地标，在着陆区轨道器影像底图上通过特征关联得到对应空间坐标后，采用空间地标交会定位方法计算得到着陆点位置。待获取足够的着陆器降落相机图像进行定位精化处理后，最终得到着陆点位置为(25.066°N, 109.925°E)，定位误差小于轨道器高分相机影像一个像素(HiREC 0.7米)。

图1 天问一号着陆点定位结果

巡视探测中，利用车载里程计与惯导融合进行航迹推算定位是祝融号火星车定位的常规手段。然而，地形起伏引起的车轮打滑以及惯导测量漂移，导致航迹推算定位结果随行驶距离而迅速累计，对火星车任务规划与安全执行有不利影响。任务中，基于火星车在相邻站点获取的影像，在对图像进行暗角校正、桅杆安置参数在轨标定等预处理的基础上，利用视角不变特征提取与匹配方法得到的相邻站点图像间匹配结果构建影像区域网，通过光束法平差方法计算当前站点的视觉定位结果，可有效降低航迹推算定位结果误差累积，因此，站点视觉定位方法成为祝融号火星车定位的基本方法应用于行驶路线的所有站点。结合视觉定位结果，利用站点立体影像生成了站点周围15米、分辨率为0.02米的数字高程模型(DEM)与数字正射影像图(DOM)等地形数据，用于站点周围环境障碍分析和路径规划，如图2。

图2 祝融号32火星日站点图像三维地形制图与障碍分析结果。(a)站点DEM；(b)站点DOM；(c)站点地形坡度分析结果；(d)站点环境行驶障碍分析及路径规划结果。

在部分有明显地物特征或纹理特征的站点，通过站点DOM与轨道器影像底图的匹配，消除仅利用火星车站点视觉定位可能的误差累积，进一步提高火星车定位精度，此方法称为DOM匹配定位。图3(a)为祝融号利用不同定位方法得到的行驶路线图。根据统计，祝融号火星车实际行驶2009米（如图3(b)），较车上里程计记录的里程长了88米，经分析认为这是由于火星车由北往南行驶沿路的地形总体为下坡趋势而导致了车轮产生前向滑移。以在后期HiRISE图像中数字化的路线图为参考值，评价航迹推算、视觉定位及DOM匹配定位三种定位方法的精度分别为行驶距离的3.11%, 1.75%和0.50%。

图3 祝融号行驶路线图(a)航迹推算、视觉定位及DOM匹配定位方法得到的行驶路线图及在后期在HiRISE图像中得到的参考路线图；（b）消除误差累积后的最终行驶路径图。

视觉定位与地形制图技术与产品保障了祝融号在火星表面执行科学探测任务的安全性和有效性。图4的例子展示了祝融号在40-46火星日接近一处横向风尘脊的连续规划过程。此外，视觉定位与地形制图技术和产品也广泛支持了着陆区形貌(如石块、撞击坑、横向风尘脊等)与地下结构、火星表面物质成份、水活动、着陆区地质演化等相关科学研究。

图4 祝融号接近横向风尘脊的规划结果图。(a)、（b）、(c)分别展示了火星车在40、42及44火星日的行驶路线；(d)、（e）、(f)为对应的环境障碍图及规划路径结果。

相关成果以“Visual Localization and Topographic Mapping for Zhurong Rover in Tianwen-1 Mars Mission”近期发表在《IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing》，论文第一作者是中国科学院空天信息创新研究院万文辉，通讯作者是中国科学院空天信息创新研究院邸凯昌、北京航天飞行控制中心胡国林。该研究得到了中国科学院B类战略先导专项项目的资助。