嫦娥五号月面表取采样点选择

嫦娥五号月面表取采样点选择 Lunar surface sampling point selection of Chang’E 5 corresp first-author E-mail： zhengyhsince2018@hotmail.com E-mail： zhengyhsince2018@hotmail.com 郑燕红（1982-），男，重庆潼南人，博士，高级工程师，2004、2006、2010年于哈尔滨工业大学获得学士、硕士、博士学位，主要从事地外天体采样封装技术研究。E-mail： zhengyhsince2018@hotmail.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=22259696&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=22259702&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=22259698&type= 22.01332855 32.00401306 郑燕红 （1982-），男，重庆潼南人，博士，高级工程师，2004、2006、2010年于哈尔滨工业大学获得学士、硕士、博士学位，主要从事地外天体采样封装技术研究。E-mail： zhengyhsince2018@hotmail.com zhengyhsince2018@hotmail.com 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094 Beijing Institute of Spacecraft System and Engineering， Beijing 100094， China Beijing Institute of Spacecraft System and Engineering， Beijing 100094， China 嫦娥五号探测器成功实现了我国首次地外天体采样返回，利用表取采样方式顺利完成了月面多点样品采集工作。根据嫦娥五号探测器特点，阐述了表取采样工作过程，分析了斜侧安装的监视相机可视覆盖区域，并形成了适应于光照不均匀、纹理高度相似场景的月面三维数字重构流程。然后，结合表取采样机械臂与器表设备构型布局情况，构建了表取采样可达约束条件，进行了可视可达区分析。并针对任务采用的一类大尺度采样器，提出了数字仿真分析与物理实物验证相结合的采样点确定方法。嫦娥五号月面工作期间，利用该方法通过分析、仿真与物理验证，实现了平均精度优于1 cm的物理地形重建，确定了周向安全间距不小于15 cm、纵向安全间距不小于2 cm的采样点族，结果表明该方法确定的采样点正确、安全，有效支持了嫦娥五号表取采样活动。 The Chang’E 5 explorer successfully realized China’s first mission of sampling and returning to extraterrestrial body. Multi-point lunar samples were collected with surface sampling mode. According to the characteristic of Chang’E 5， the process of surface sampling was expounded. The coverage of monitoring cameras which were mounted obliquely was analyzed. And the three dimension digital reconstruction workflow adapted for uneven illumination and high similarity texture scene was formed. Considering the layout of surface sampling manipulator and other surface devices of lander， the reachable constraint condition of sampling monition was structured. And the sampling area which is visible and reachable was discussed. Aiming at a class of large scale sampler， a multi-sampling point selection method combining digital simulation and physical verification was proposed. And then the method which include analysis， simulation and verification， was applied in the Chang’E 5 surface sampling task. It realizes average precision of reconstruct physical terrain less than 1 cm. And the sampling points which circumferential safety spacing more than 15 cm and longitudinal safety spacing more than 2 cm were confirmed. The mission results indicated that the sampling points are correct and reliable. The method supported Chang’E 5 surface sampling activities effectively. 嫦娥五号 表取采样 采样点 可视区 可达区 Chang’E 5 surface sampling sampling point visible area reachable area 1 引　言 1 2020年11月24日，中国用长征五号运载火箭成功发射嫦娥五号月球无人采样返回探测器，于12月1日着陆在月球北纬43.1°、西经51.8°的风暴洋西北地区，并获得了邻近区域的月面图像，于12月2日完成了月面表取采样，成功获取了当前月球最高纬度区域表层月壤样品。 美国勘察者（Surveyor）任务通过表面伸缩采样机构工作空间与宽、窄电视图像联合完成了月面承载测试点、开沟区选择 ［ 1 1 ］ ，支持完成了无人月球表面采样工作。海盗号（Viking）通过长基线双目相机构建了采样区地形，支持完成首次火星采样与探测活动 ［ 2 2 ］ 。机遇号与勇气号（MER）、凤凰号（Phoenix）均利用立体相机图像生成了机械臂可达空间数字高程图，开展探测点或采样点选择，经数字仿真后上行实施火面操作 ［ 3 3 ］ 。好奇号（Curiosity）五自由度机械臂通过导航相机图像生成工作空间地形 ［ 4 4 ］ ，并结合臂载成像仪图像，完成了火星表面铲挖与钻进点选择与分析。洞察号（Insight）采用臂载相机获取的左、右图像构建数字高程图，协助完成科学探测仪器投放 ［ 5 5 ］ 。与已实施的地外采样任务不同，嫦娥五号采用了长臂展采样机械臂、斜侧安装立体相机 ［ 6 6 ］ 、大尺度采样器 ［ 7 7 ］ 等，并通过月面接触与样品挖掘两种状态相结合完成表取采样，采样点确定与其它地外浅表层采样任务在产品特性、约束边界、工作流程等方面存在较大的差异。 本文结合嫦娥五号构型布局与表取采样特点，分析了斜侧安装的监视相机可视区，形成了适应于光照不均匀、纹理高相似度场景的三维数字地形重构流程，构建了表取采样可达约束条件，开展了可视可达区分析，针对一类大尺度采样器，提出了数字仿真分析与物理实物验证相结合的采样点选择方法，最后对该方法在嫦娥五号月面表取采样点确定过程中的应用情况进行了描述。 2 表取采样过程 1 嫦娥五号探测器由轨道器、着陆器、上升器和返回器组成，着陆器与上升器构成着上组合体，着陆月球表面实施采样封装与科学探测。 月面表取采样前，利用安装在着陆器外侧的监视相机对采样区域进行成像，如 图1 图1 所示，成像区域主要集中在缓冲足盘1和2之间，提前获取表取采样工作区场景。 月面表取采样期间，表取采样机械臂在一定区域内进行多点采样。表取采样机械臂的臂展长度约3.7 m，具有肩偏航、肩俯仰、肘俯仰、腕俯仰4个自由度，表取采样点须处于机械臂伸展可到达的区域内。机械臂同时配置了两个异构采样器（甲、乙）实现月球样品铲挖、夹取或旋挖等，期间近摄相机、远摄相机、监视相机可进行视觉支持 ［ 8 8 ］ 。嫦娥五号表取采样机械臂携带采样器在监视相机可视区域内开展采样工作，如 图2 图2 所示，首先到达起始点，当需进行触月感知时，采样器甲或乙经触月点到达铲挖点或旋挖点，当无需进行触月感知时，采样器甲、乙可直接到达铲挖或旋挖位置。 从上述过程可见，嫦娥五号任务通过监视相机图像获得采样场景先验信息，结合表取采样工作特点，确定安全可靠的采样点是表取采样活动顺利实施的重要环节。 3 相机可视区 1 嫦娥五号在着陆器外部斜侧安装的监视相机（左相机和右相机）基线距离约20 cm，每台相机静态成像视场角约59°×45°，图像分辨率为2 352×1 728。设右相机坐标系相对左相机坐标系的旋转矩阵为 R c ∈R 3×3 ，平移向量为 P c ∈R 3×1 ，则右相机系中点 P 2 在左相机系的表示 P 1 为： <math display="block" id="M1"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">P</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">P</mi></mrow><mrow><mn 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http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=22259725&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=22259723&type= 25.99266624 3.80999994 . 利用 式（1） 式（1） 、 式（2） 式（2） 可将左、右相机视场中各点在参考系中进行统一表示。嫦娥五号左、右监视相机均为矩形视场，不失一般性，设横、纵向半视场角分别为 ν 1 ， ν 2 ，在相机坐标系 O c X c Y c Z c 的 O c X c Y c 平面内构造边长为1的虚拟正方形 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 ，如 图3 图3 所示， p 1 ， p 2 ， p 3 ， p 4 为各边中点，记 O c N 1 ， O c N 2 ， O c N 3 ， O c N 4 方向向量为 r 1 c ， r 2 c ， r 3 c ， r 4 c ，则通过旋转变换可得： <math display="block" id="M3"><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msup><mrow><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">r</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msup><mo>=</mo><msup><mrow><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><mtable><mtr><mtd><mn mathvariant="normal">0</mn></mtd><mtd><mo>-</mo><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi 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=1，2，3，4）为： <math display="block" id="M5"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">L</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfenced open="{" close="" separators="|"><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mrow><mi>k</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub><msup><mrow><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">ρ</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msup><mo>+</mo><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">P</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtable><mtr><mtd/><mtd/><mtd/><mtd><mi mathvariant="normal">左</mi><mi mathvariant="normal">相</mi><mi mathvariant="normal">机</mi></mtd></mtr></mtable></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mrow><mi>k</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi 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http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=22259744&type= 63.75400162 10.92199993 ， 式中 k i 为比例系数。利用 式（5） 式（5） 联合采样区形态，可确定监视相机的覆盖情况。如 图4 图4 所示为基线距离20 cm，光轴与参考系 OXY 平面30°夹角，光轴在 OXY 平面的投影与+ Z 轴夹角为55°斜侧安装的监视相机，对与参考系 OXY 平面平行、 -Z 侧距离2 m的平面覆盖情况。 从 图4 图4 可见，左右相机存在约13.1 m 2 的重叠区域，通过构建特定的检校场 ［ 9 9 - 11 11 9-11 ］ ，获取精测数据与图像数据，对监视相机的内、外参数进行标定，利用双目视觉原理 ［ 12 12 - 13 13 12-13 ］ 进行三维数字重构，可获得可视区地形，处理流程如 图5 图5 所示。 考虑到月面光照的不均匀性，通过多参数融合图像增强，提升图像纹理质量，采用Daisy描述子 ［ 14 14 - 15 15 14-15 ］ 作为稠密特征提取算子，解决图像中不同区域纹理相似情况下特征点提取和匹配难的问题，确保特征点稳定匹配、分布均匀，并通过整个视场范围内的视差估计，进行深度图滤波，生成可视区三维数字地形。 4 机械臂可达区 1 嫦娥五号表取采样机械臂采用较少的自由度满足月表采样任务需求和探测器轻量化要求。不同于冗余机械臂 ［ 16 16 ］ ，无约束四自由度偏置型机械臂到达参考系中的目标点（ x 0 ， y 0 ， z 0 ），并使采样器具有特定的俯仰角 α ，具有4种构型状态。嫦娥五号表取采样机械臂由于特殊的走线与限位设计、机械臂安装位置约束，选取其中一种进行应用，而采样点必须处于有约束的机械臂可达区中。 从 图1 图1 可见，表取采样过程中，机械臂上臂杆将处于下探状态，与下方的推力器、-X侧太阳翼、腕关节压紧座以及着陆器顶板与侧板相交的侧边等存在干涉风险。在可达区确定过程中需综合考虑探测器器表设备与机械臂的布局约束。为确保机械臂肩俯仰关节下探过程中具有可控的安全距离，将不同方位的肩俯仰关节下探角度作为可达区分析的约束条件，设 B 表示上臂杆上的点， S 表示着陆器设备的点，对每个动点 B 采用半径为 r 的包覆球检测是否有器表设备点 S 进入其间，可对干涉边界进行搜索，即： <math display="block" id="M6"><mfenced open="‖" close="‖" separators="|"><mrow><mi>B</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mi>l</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>-</mo><mi>S</mi></mrow></mfenced><mo>></mo><mi>r</mi><mtable><mtr><mtd><mrow/></mtd></mtr></mtable><mtable><mtr><mtd><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mo>,</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mtd></mtr></mtable><mtable><mtr><mtd><mrow/></mtd></mtr></mtable><mi>l</mi><mo>∈</mo><mo stretchy="false">[</mo><mn mathvariant="normal">0</mn><mo>,</mo><msub><mrow><mi>a</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=22259766&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=22259764&type= 56.38800049 4.82600021 ， 式中 θ 1 ， θ 2 为机械臂关节1，2转动角度， l 表示上臂杆上动点与端点的距离， a 1 为上臂杆长度。动点B的位置可通过机械臂的正运动学计算得到。考虑到该安全距离不受着陆状态影响，可在任务实施前，根据 式（6） 式（6） 确定 θ 1 与 θ 2 的约束关系，如 图6 图6 所示。 图中曲线为不同安全间距下， θ 2 随 θ 1 变化的角度边界（向下为正），当 θ 2 选取某曲线下方的角度值时，可确保采样过程中机械臂不与器表设备发生干涉，并具有相应的安全间距。在该曲线约束下，进行逆运动学解的存在性确认与求取，确定可达区，可表示为： <math display="block" id="M7"><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><mtable><mtr><mtd><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></mtd><mtd><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub></mtd><mtd><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn></mrow></msub></mtd><mtd><msub><mrow><mi>θ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub></mtd></mtr></mtable></mrow></mfenced><mo>=</mo><mi mathvariant="bold-italic">F</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>x</mi></mrow><mrow><mn 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处）而发生卡滞；当对坑沿部位进行采样时，低重力环境下的月壤流动性，也可能引起铲挖的月壤发生滑落（标识 d 处），甚至无法获得样品。因此，嫦娥五号表取采样点选择需充分考虑采样器尺度与可视可达区局部特征的影响。 嫦娥五号采样点选择以安全为首要原则，兼顾实施效率与样品的丰富性。对于已获得的可视可达区地形点是否可采，首先区分其处于平坦、凹陷或凸起区域，为提高单次采样量，尽可能选择非坑沿点，并以与采样器尺度相当的局部区域为邻近区，计算邻近区的坡度与坡向，确定触月与采样时的采样器俯仰（绕 图8 图8 中 Z s 轴的转动）、滚动（绕 图8 图8 中 X s 轴的转动）姿态角度，并根据采样流程对触月、采样两种状态下，采样器与月面的安全间距情况进行分析，将安全的地形点作为安全点，形成安全点集。然后，根据任务需求，确定数字可采点坐标范围、采样器与月面最小间距、采样器姿态角度、可采点数量及分布距离等约束条件，在安全点集中自动搜索或人工确定符合要求的可采点，选取流程如 图9 图9 所示。 从 图9 图9 可见，数字可采点具有一定的先后顺序，排序过程中主要考虑与中间点（ 图2 图2 中Via Point）的坐标距离 d v 、采样器与月面最小安全间距 d s 、采样器滚动角 β 、采样器俯仰角 α 等因素，对生成的总数为N的数字可采点，第 j 个点可按 式（8） 式（8） 进行加权，结果数值 s （ j ）越大，优先级越高。 <math display="block" id="M8"><mi>s</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><mtable><mtr><mtd><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></mtd><mtd><msub><mrow><mi>λ</mi></mrow><mrow><mn 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http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=22259807&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=22259804&type= 50.12266922 22.26733208 ， 其中 λ i （ i =1，2，3，4）为加权系数，和为1； S dv （.）、 S ds （.）、 S β （.）、 S α （.）分别为距离 d v 、间距 d s 、滚动角 β 与俯仰角 α 的评价函数，该评价函数与加权系数可根据任务情况设定。由于可视可达区地形较为稠密，通常超过两百万个，在可视可达地形生成安全点集的过程中，可采用并行计算的方式进行筛选，提升采样点确定效率。 6 物理验证点 1 嫦娥五号在月面表取采样区图像获取与月面表取采样工作之间设计了约4 h的时间间隔，并构建了一套试验系统可在月面实施表取采样前，在地面提前开展物理验证工作，确保采样点、现场指令及运动路径的正确性。 地面首先根据月面表取采样区图像完成三维地形数字重构后，利用3D打印与增强现实技术实现可视区地形地面重建，如 图10 图10 所示。然后，地面人员综合重建地形状态、表取采样工作特性、数字可采点选取情况，确定采样点。 其后，地面人员利用试验系统生成相应的现场指令，并利用与在轨状态一致的表取采样机械臂开展1∶1的表取采样物理验证工作，确认动态选择的采样点及相关工作的正确性，经验证确认的数字可采点为物理验证点。地面人员可根据任务实施情况，对物理验证点的排序进行适应性调整，确定为表取备选采样点，月面实施过程中以备选采样点为中心点，结合周向安全距离情况，实施表取采样活动。 7 仿真与验证 1 2020年12月1日，嫦娥五号着上组合体软着陆月面后，监视相机对表取采样区进行了成像观测，获取月面图像如 图11 图11 所示。 1;2; 利用校准后的内、外参数，按 图5 图5 所示流程完成可视区三维地形数字重构，并按 式（2） 式（2） 转换获得参考系 OXYZ 下的可视区地形如 图12 图12 （a）所示： 1;2; 经分析该区域坡度约1.5°，对比 图4 图4 可见，除监视相机视场远端外（约2.45 m 2 ，在可达区之外），可视区地形与之具有相似的形态。结合嫦娥五号表取采样机械臂特性，根据 式（6） 式（6） 、 式（7） 式（7） 对可视区各地形点可达性进行分析，并进行关节角度计算，按 图6 图6 中25 mm间距约束曲线，可得可视可达区地形如 图12 图12 （b）所示。 在数字可采点选取过程中，为避免坑沿可能引起的单次采样量下降情况，选取可采点与坑沿距离不小于80 mm，采样器上各点周向安全间距不小于150 mm，邻近区地形窗口沿参考系 X ， Y 向边长为900 mm，通过分组并行计算对可视可达区地形点进行遍历，生成安全点集，其点云如 图13 图13 所示。 设可采点选取数为10，采样器（除需接触部位外）与月面的最小安全间距 d s =20 mm，采样器最大滚动角 β= 3°，采样器最大俯仰角 α= 5°，按 式（8） 式（8） 可得一组数字可采点，如 图13 图13 中标示点，利用地面重建地形进行提前物理验证确认数字可采点正确性后，作为月面表取采样备选采样点（与数字可采点相同），如 表1 表1 所示。 序号 X /m Y /m Z /m α /（°） 1 0.103 -1.468 -2.028 -0.1 2 -0.97 -1.845 -2.044 -4.45 3 -1.316 -1.443 -2.05 3.06 4 -0.024 -2.361 -2.018 0.63 5 -1.291 -2.393 -2.029 0.92 6 -1.475 -1.922 -2.076 -0.2 7 -0.937 -2.032 -2.031 1.46 8 -0.796 -1.546 -2.08 -3.57 9 -1.991 -1.975 -2.048 -2.05 10 -1.683 -2.284 -2.046 0.57 通过监视相机获得月面图像，经相机可视区分析与重构、有约束机械臂可达区计算与分析、数字可采点搜索、地面1∶1提前物理验证实施等多个环节处理，地面重建地形平均精度优于1 cm，确定了备选采样点，集合分析、仿真与物理验证的采样点选择过程用时约3.5 h。从 图13 图13 所示备选采样点可见，由于周向安全间距不小于15 cm的保证，采样器可在以备选采样点为中心的虚线区域内移动。嫦娥五号月面表取采样实施过程中，以备选采样点1，2，3为中心，并沿周向小幅度移动实施了月面表取采样活动，具体如 表2 表2 所示。 2 备选采样点中心 2 采样实施点 2 移动距离 /cm X /m Y /m X /m Y /m 5 0.103 5 -1.468 0.103 -1.468 0 0.163 -1.468 6 0.173 -1.378 11.4 0.143 -1.378 9.8 0.033 -1.578 13 6 -0.97 6 -1.845 -0.97 -1.845 0 -1.03 -1.845 6 -1.09 -1.845 12 -1.0 -1.945 10.4 -1.03 -1.875 6.7 -1.09 -1.845 12 -1.316 -1.443 -1.316 -1.443 0 从表中可见，采样实施点相对中心点的周向最大移动距离为13 cm。嫦娥五号在16 h内，圆满完成了12次月球表面采样工作，安全可靠地获取了月球样品，在轨验证了大尺度采样器采样点选择的正确性。 8 结　论 1 嫦娥五号具备月面多点表取采样能力，确定安全可靠的采样点是表取采样任务顺利完成的重要保证。 本文结合嫦娥五号表取采样工作过程，提出了斜侧安装的监视相机可视区分析方法，并实施了三维数字地形重构，根据嫦娥五号构型布局特点，构建了表取采样可达约束条件，开展了可视可达区分析，并基于大尺度采样器，提出了数字仿真分析与物理实物验证相结合的采样点选择方法。嫦娥五号月面工作期间，通过分析、仿真与物理验证，实现了平均精度优于1 cm的物理地形重建，确定了周向安全间距不小于15 cm、纵向安全间距不小于2 cm的采样点族，并成功应用于嫦娥五号月面表取采样活动，为月球浅表层样品采集提供了有效支撑。 参考文献 ROUZE E R ， CLARY M C ， CROISSETTE D H L ， et al . Surveyor surface sampler instrument ［R］. NASA， 1968， JPL-TR-32 - 1223 ： 30 - 31 . Surveyor surface sampler instrument COOLEY C G ， LEWIS J G . Viking lander system primary mission performance report ［R］. NASA， 1977 ， NASA-CR-145148： VI 19 - 26 . Viking lander system primary mission performance report BONITZ R ， SHIRAISHI L ， ROBINSON M ， et al . The phoenix Mars lander robotic arm ［C］. 2009 IEEE Aerospace conference . IEEE ， 2009 ： 1 - 12 . doi: 10.1109/aero.2009.4839306 http://dx.doi.org/10.1109/aero.2009.4839306 The phoenix Mars lander robotic arm BEDFORD C C ， BRIDGES J C ， SCHWENZER S P ， et al . Alteration trends and geochemical source region characteristics preserved in the fluviolacustrine sedimentary record of Gale crater， Mars ［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta ， 2019 ， 246 ： 234 - 266 . doi: 10.1016/j.gca.2018.11.031 http://dx.doi.org/10.1016/j.gca.2018.11.031 Alteration trends and geochemical source region characteristics preserved in the fluviolacustrine sedimentary record of Gale crater， Mars ABARCA H ， DEEN R ， HOLLINS G ， et al . Image and data processing for InSight lander operations and science ［J］. Space Science Reviews ， 2019 ， 215 （ 2 ）： 1 - 53 . doi: 10.1007/s11214-019-0587-9 http://dx.doi.org/10.1007/s11214-019-0587-9 Image and data processing for InSight lander operations and science 陈丽平 ， 顾征 ， 郑燕红 ， 等 . 一种航天器微小相机的视场覆盖增强方法 ［J］. 红外与激光工程 ， 2020 ， 49 （ S1 ）： 209 - 216 . 一种航天器微小相机的视场覆盖增强方法 CHEN L P ， GU ZH ， ZHENG Y H ， et al . Coverage-enhancing method for view of micro camera on spacecraft ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2020 ， 49 （ S1 ）： 209 - 216 . （in Chinese） Coverage-enhancing method for view of micro camera on spacecraft 姜水清 ， 刘荣凯 ， 林云成 ， 等 . 铲挖式表层月壤采样器设计与试验 ［J］. 中国空间科学技术 ， 2019 ， 39 （ 1 ）： 49 - 58 . doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2018.0067 http://dx.doi.org/10.16708/j.cnki.1000-758X.2018.0067 铲挖式表层月壤采样器设计与试验 JIANG SH Q ， LIU R K ， LIN Y CH ， et al . Design and test of a sampler for lunar surface regolith ［J］. Chinese Space Science and Technology ， 2019 ， 39 （ 1 ）： 49 - 58 . （in Chinese） . doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2018.0067 http://dx.doi.org/10.16708/j.cnki.1000-758X.2018.0067 Design and test of a sampler for lunar surface regolith 郑燕红 ， 邓湘金 ， 姚猛 ， 等 . 月球表层采样样品智能确认方法 ［J］. 宇航学报 ， 2020 ， 41 （ 8 ）： 1094 - 1104 . doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2020.08.013 http://dx.doi.org/10.3873/j.issn.1000-1328.2020.08.013 月球表层采样样品智能确认方法 ZHENG Y H ， DENG X J ， YAO M ， et al . An intelligent approach for identification of lunar surface sampling soil ［J］. Journal of Astronautics ， 2020 ， 41 （ 8 ）： 1094 - 1104 . （in Chinese） . doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2020.08.013 http://dx.doi.org/10.3873/j.issn.1000-1328.2020.08.013 An intelligent approach for identification of lunar surface sampling soil 张烁 ， 徐亚明 ， 刘少创 ， 等 . 嫦娥-3号月面巡视探测器立体相机的控制场检校 ［J］. 武汉大学学报·信息科学版 ， 2015 ， 40 （ 11 ）： 1509 - 1513 . doi: 10.13203/j.whugis20130610 http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20130610 嫦娥-3号月面巡视探测器立体相机的控制场检校 ZHANG SH ， XU Y M ， LIU SH CH ， et al . Calibration of chang'e-3 lunar rover stereo-camera system based on control field ［J］. Geomatics and Information Science of Wuhan University ， 2015 ， 40 （ 11 ）： 1509 - 1513 . （in Chinese） . doi: 10.13203/j.whugis20130610 http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20130610 Calibration of chang'e-3 lunar rover stereo-camera system based on control field 王谭 ， 王磊磊 ， 张卫国 ， 等 . 基于张正友标定法的红外靶标系统 ［J］. 光学 精密工程 ， 2019 ， 27 （ 8 ）： 1828 - 1835 . doi: 10.3788/ope.20192708.1828 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192708.1828 基于张正友标定法的红外靶标系统 WANG T ， WANG L L ， ZHANG W G ， et al . Design of infrared target system with Zhang Zhengyou calibration method ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 8 ）： 1828 - 1835 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20192708.1828 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192708.1828 Design of infrared target system with Zhang Zhengyou calibration method 杨景豪 ， 刘巍 ， 刘阳 ， 等 . 双目立体视觉测量系统的标定 ［J］. 光学 精密工程 ， 2016 ， 24 （ 2 ）： 300 - 308 . doi: 10.3788/OPE.20162402.0300 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20162402.0300 双目立体视觉测量系统的标定 YANG J H ， LIU W ， LIU Y ， et al . Calibration of binocular vision measurement system ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2016 ， 24 （ 2 ）： 300 - 308 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20162402.0300 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20162402.0300 Calibration of binocular vision measurement system GEIGER A ， ROSER M ， URTASUN R . Efficient large-scale stereo matching ［M］. Computer Vision – ACCV 2010. Berlin， Heidelberg ： Springer Berlin Heidelberg ， 2011 ： 25 - 38 . doi: 10.1007/978-3-642-19315-6_3 http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-19315-6_3 Efficient large-scale stereo matching 刘东生 ， 陈建林 ， 费点 ， 等 . 基于深度相机的大场景三维重建 ［J］. 光学 精密工程 ， 2020 ， 28 （ 1 ）： 234 - 243 . doi: 10.3788/ope.20202801.0234 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202801.0234 基于深度相机的大场景三维重建 LIU D SH ， CHEN J L ， FEI D ， et al . Three-dimensional reconstruction of large-scale scene based on depth camera ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 1 ）： 234 - 243 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20202801.0234 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202801.0234 Three-dimensional reconstruction of large-scale scene based on depth camera TOLA E ， LEPETIT V ， FUA P . DAISY： an efficient dense descriptor applied to wide-baseline stereo ［J］. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence ， 2010 ， 32 （ 5 ）： 815 - 830 . doi: 10.1109/tpami.2009.77 http://dx.doi.org/10.1109/tpami.2009.77 DAISY： an efficient dense descriptor applied to wide-baseline stereo 曹留霞 ， 王晓红 ， 李闯 ， 等 . BRISK-DAISY无人机影像匹配算法研究 ［J］. 测绘工程 ， 2020 ， 29 （ 2 ）： 17 - 22 . BRISK-DAISY无人机影像匹配算法研究 CAO L X ， WANG X H ， LI CH ， et al . Research on BRISK-DAISY UAV image matching algorithm ［J］. Engineering of Surveying and Mapping ， 2020 ， 29 （ 2 ）： 17 - 22 . （in Chinese） Research on BRISK-DAISY UAV image matching algorithm 王文瑞 ， 刘克俭 ， 顾金麟 ， 等 . 有关节约束超冗余机械臂的增益优化轨迹规划 ［J］. 光学 精密工程 ， 2019 ， 27 （ 5 ）： 1075 - 1086 . doi: 10.3788/OPE.20192705.1075 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192705.1075 有关节约束超冗余机械臂的增益优化轨迹规划 WANG W R ， LIU K J ， GU J L ， et al . Gain-optimization trajectory planning method for hyper-redundant manipulator with joint constraints ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2019 ， 27 （ 5 ）： 1075 - 1086 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20192705.1075 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20192705.1075 Gain-optimization trajectory planning method for hyper-redundant manipulator with joint constraints V447+.1 A 1004-924X（XXXX）XX-0001-09 郑燕红,邓湘金,顾征等.嫦娥五号月面表取采样点选择[J].光学精密工程,DOI:10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001 郑燕红,邓湘金,顾征等.嫦娥五号月面表取采样点选择[J].光学精密工程,DOI:10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001 ZHENG Yan-hong,DENG Xiang-jin,GU Zheng,et al.Lunar surface sampling point selection of Chang’E 5[J].Optics and Precision Engineering,DOI:10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001 ZHENG Yan-hong,DENG Xiang-jin,GU Zheng,et al.Lunar surface sampling point selection of Chang’E 5[J].Optics and Precision Engineering,DOI:10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001 国家探月工程重大科技专项；中国航天科技集团青年拔尖人才基金；国家自然科学基金（61773383） 2021-04-27 2021-06-30 2021-11-29 光学精密工程