外太空執行任務的航天器通過什麼技術手段導航定位? | 知乎問答精選

 

A-A+

外太空執行任務的航天器通過什麼技術手段導航定位?

2018年07月01日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 16 ℃ 次

【肖寅的回答(25票)】:

感謝邀請。問題很好,是分類提出的,那麼也需要分類解決。

首先對於近地軌道衛星的導航,主要手段有兩種,一種是利用地面測控站和衛星本身自帶的天文導航設備(如紅外地平儀等)進行定軌和導航,一種是利用星載GPS。在利用星載GPS時候需要注意的是,這種衛星的軌道高度不能高於GPS衛星的軌道高度,否則導航信號無法覆蓋。有時候上述兩種方法也會結合起來運用。

接下來是轉移軌道和繞月軌道以及火星的飛行軌道,這類航天器顯然已經無法利用GPS導航了,因為其軌道高度超過了GPS軌道高度。另外,由於其距離地球較遠,如果兩個測量天線之間的距離比較近,在使用無線電導航時,則測定出來的軌道會有比較大的誤差。因此,需要兩個距離比較遠的天線,從而誕生了一種提出了一種基於甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)的深空導航定位技術δDOR(Delta Differential One-Way Ranging),其導航定位精度除了與天線增益和接收機性能有關外,還取決於天線之間的基線長度,而基線長度原則上不受限制,可達數千公里,因而,可以極大提高測量精度。目前的測角精度達毫角/米量級,當應用於奔月軌道時,定軌誤差只有幾米。

國外對δDOR 深空導航技術的研究始於20世紀70年代,主要的研究機構是美國的NASA、歐洲ESA和日本的JAXA。δDOR 導航定位本質上是VLBI測量技術的一個應用,當時VLBI測量技術剛剛進入實用階段,NASA噴氣推進實驗室(JPL)就開始考慮如何將這種高精度的測量技術用於深空探測器的導航定位,經過近10年的研究準備,δDOR 技術於1978在旅行者1號經過木星時得到了實際運用。自此,NASA對δDOR 深空導航技術的研究就一直沒有中斷,並且δDOR 已成為其經常性的探測器導航服務項目。

ESA從1986年開始著手研究δDOR 技術,最初導航任務由NASA全權代理,在1992年Ulysses探測器再臨近木星時,測軌精度因為δDOR 系統的應用得到了提高。ESA於2005年8月首次獨立具備了δDOR 導航定位能力,但目前主要還是通過與NASA和JAXA開展國際合作完成。

日本的JAXA從2003年開始關注δDOR 技術,對其首個火星探測器NOIOMI開展了大量δDOR 觀測。NOIOMI由太空與太空航行科學研究所(Institute of Space and Astronautical Science,ISAS)開發,計劃1998年到達火星,但因變軌錯誤而不得不更改飛行方案,分別於2002年、2003年進行了兩次高精度變軌。為了確保變軌成功,ISAS的科學家於2002年8月正式啟動 δDOR導航定位系統,在測量過程中使用了日本境內的9副X頻段VLBI天線以及位於加拿大的46 m直徑的Algonquin天線,測量結果幫助JAXA修正了飛行參數,順利完成了變軌。

我國首次 δDOR 的測量於2004年7月進行,測量的航天器是2003年12月從西昌發射的「探測一號」科學衛星,測量的主要目的是為日後要進行的「嫦娥一號」探月衛星導航定位提供技術積累,研究VLBI測量技術對探月衛星定軌的貢獻。當時利用上海佘山、烏魯木齊南山和雲南昆明的3個VLBI站,採用上海天文台自行編製的軟件完成了數據VLBI相關處理,測量結果顯示平均定軌誤差為2 km,測速精度可達5 cm/s。2007年「嫦娥一號」探月衛星成功發射後,δDOR 技術對衛星月球軌道的高精度定軌正式發揮作用。

δDOR 系統的原理是航天器首先要發射一組S頻段、X頻段或者Ka頻段的正弦波或者方波信號,稱為測音信號,這些信號可以是單音也可以是通過偽隨機碼進行擴頻的信號,目的是更加精確地模仿自然界中的射電信號。地球上不同地理位置的觀測站對該側音信號進行觀測並同步記錄在一定的

存儲介質中。觀測站間的基線很長,因此,側音信號到達各站的時間存在延遲,將各站的觀測數據通過一定的方式傳輸到數據處理中心,通過相關處理器處理就可以解算出信號到達各站的延遲,從而確定航天器相對於觀測站的角度。但這種未校準測量結果中存在許多誤差,如電離層延遲、對流層延遲、時鐘偏差、站址偏差及接收機設備延遲等等。

為了消除這些誤差,$DOR觀測時引入了射電天文坐標系,該坐標系以宇宙中若干恆定射電源作為

基準點,這些射電源的位置由國際天文組織經過長期的VLBI觀測得到,角位置精度可達到nrad級。

由於射電源信號與航天器信號所經過的信道完全一致,因此,可以認為測量射電源信號時由空間環

境及設備引入的延遲誤差與測量航天器信號時引入的誤差相等,這一誤差項可以通過射電源的時延

測量值與標準值求差解算出來,再利用該誤差項對航天器的位置進行修正就能得到高精度的航天器

方位角值。實際測量時,射電源和航天器不可能同時得到天線的跟蹤,對射電源信號和航天器信號的接收只能交替進行,如採用射電源-航天器-射電源或航天器-射電源-航天器等方式。射電源選擇的原則是位於航天器的附近,一般在10°以內,目前國際天文組織已公佈了許多免費的星歷表,如SDSS、ICRF、LBQS及JPL深空網專用星歷表等,以便尋找與探測器位置最為匹配的射電源。

下面分別是是δDOR 系統原理圖和工作流程圖:

最後講一講更加遙遠的探測器怎麼進行定位。對於上述的 δDOR 系統有個缺陷就是觀測天線必須可見航天器才能進行測量,那麼如果不在可見弧段時候怎麼辦呢?或者,在遙遠的太空中,通信出現了故障又怎麼辦呢?解決這一問題,就需要航天器具有自主導航的能力。這就是下面要介紹的天文自主導航。

第一種是基於太陽和行星的天文自主導航。利用太陽和行星進行自主導航是最為簡單和成熟的天文

導航方案) 由於太陽和行星在任意時刻的位置可根據星歷表獲得, 而從探測器上觀測到的行星之間的夾角、行星和恆星之間的夾角和行星視線方向等信息是探測器位置的函數, 通過這些觀測量利用幾何解析的方法或結合軌道動力學濾波即可獲得探測器的位置、速度等導航參數,早在20世紀60年代, 美國阿波羅登月計劃中就已使用了該類導航方法。1982年美國噴氣推進實驗室 (JPL)研製的自主制導和導航系統 (AGN) 在用於木星飛行任務時,也是利用星體跟蹤器和CCD敏感器測得的行星和恆星之間的夾角進行深空探測器的天文導航和姿態確定。近年來, 隨著深空探測任務的增多,該方法也隨著測量儀器和濾波方法的改進, 得到越來越多的關注。該方法的優點是計算簡單, 易於實現; 缺點是導航精度隨探測器與太陽、 行星之間距離的增加而降低。

第二種是基於小行星或行星衛星的自主導航。由於太陽和行星到探測器的距離相對較遠,因此角度測量的微小誤差就會對導航的位置誤差產生極大的影響。利用探測器在轉移軌道中遇到的近距離小行星進行定位可大大提高導航精度。該方法的基本原理與上述基於太陽和行星的自主導航方法

基本相同,但由於小行星和探測器之間距離較近, 因此導航精度較前者高。其缺點是通常探

測器與小行星相遇的時間很短,且小行星的觀測也較困難。該方法已應用於早期的水手號、 旅行者號、 伽利略號和近期的深空一號和深度撞擊號等多顆深空探測器中。 是目前最成熟的方法。

第三種就是有回答介紹到的基於X射線脈衝星的導航。脈衝星是太陽系以外的遙遠天體,它們的位置坐標,猶如恆星星表一樣構成一種高精度慣性參考系;脈衝星按一定頻率發射穩定的脈衝信號,其長期穩定度好於地球上最穩定的銫原子鐘。脈衝星可以提供絕好的空間參考基準和時間基準,是空間飛行器極好的天然導航信標。與脈衝射電信號相比,X 射線能量輻射相對較高,易於設備探測和信號處理,減少了弱信號積分時間,提高了脈衝到達時間測量分辨率。尤其是有利於設計小型化探測設備,探測器有效面積可小於 1㎡,使其裝備航天器應用成為可能。

X 射線脈衝星導航的基本原理是,在空間航天器上,測量脈衝星脈衝到達時間(相位),並將其作為基本觀測量;利用建立在基準點(太陽系質心)的時間模型,計算同一脈衝到達基準點的相位;在脈衝相位觀測量與時間模型計算值之間組差,差分觀測量反映了航天器與基準點在脈衝星視線方向的距離差,是航天器位置和脈衝星位置的函數;假定已知脈衝星位置,通過一定的導航算法,即可獲得觀測時刻航天器相對基準點的位置坐標。

上圖是X射線脈衝星導航的工作流程上圖是X射線脈衝星導航的工作流程

但是,X 射線脈衝星導航還面臨許多問題需要解決。其中必須解決的關鍵問題是:

(1)X 射線脈衝星源

要進行 X 射線脈衝星導航,必須具有適合導航的 X 射線脈衝星源,其位置精度和流量要滿足一定的要求。例如,如果要求導航精度達到 10m(3σ),脈衝星的角分辨率應小於0.0001〞,流量大於 100μCrab。目前滿足要求的脈衝星數量較少。而且已發現的脈衝星大部分集中在銀道面附近,對於三維定位的幾何條件不太好。因此開展 X 射線巡天,發現更多的 X 射線脈衝星非常重要。

(2)X 射線探測器

在不同波段觀測脈衝星,信號結構不同,脈衝星到達時間也不同,而大部分脈衝星是在射電波段觀測的,只有一部分可以在 X 射線和γ 波段觀測到。X 射線探測器包括 X 射線成像儀、光子計數器和高速讀出電路。但是到目前為止,還沒有為導航目的同時多個 X 射線探測器在軌運行的實驗(在USA 試驗中,衛星上裝兩個探測器,實際上只有一個可以工作)。

(3)觀測 TOA 修正及時間模型建立

X 射線探測器根據航天器搭載的原子鐘記錄脈衝到達時間(TOA)。X 射線脈衝星導航需要將觀測 TOA 在TDB/TCB 時間尺度下轉化到脈衝星時間模型基準點,並與時間模型預報值進行比對,之間涉及到大量的時間轉換和相對論改正。

(4)導航算法

根據 X 射線探測器得到的光子計數和 X 射線成像數據,卷積出脈衝到達時間(TOA),利用脈衝星星表和其他參數,通過一定的計算,得到飛行器的位置、速度和姿態。在數據處理過程中涉及大量時間、坐標轉換、相對論改正、修正量計算。各項誤差的量級及其對最終定軌結果的影響程度還需要進一步在實際工作中試算驗證,並通過設計改進導航算法減弱誤差對定軌精度的影響。與 GPS 相位觀測量類似,脈衝信號觀測量同樣需要進行模糊度解算。

上述的導航定位手段都不是孤立的,很多時候需要聯合使用,聯合解算,以達到最優的定軌精度。

總之,導航的辦法多多,問題也多多,不過相信隨著科技水平的提升,人類向深空發展的腳步不會停止!

參考文章:

寧曉琳《自主天文導航技術綜述》

周小坤《DOR深空導航定位技術進展》

【知乎用戶的回答(3票)】:

謝邀,簡單講下現在各國在考慮研究的 脈衝星 導航,脈衝星方面知識,請自行 Wiki. 。

目前使用的太空定位方法,不僅過程繁瑣,而且定位誤差過大,可信度無法保證,這樣會使航天器在航行過程中多走不少路程。例如,美國宇航局於1977年發射的2艘「航海家」號(Voyager)宇宙飛船是目前仍在運作的宇宙飛船中距離地球最遠的,目前已經接近太陽系邊緣,但是利用傳統的定位方法,對其精確位置的誤差範圍達到了幾百公里。

在太空中,衛星導航系統無法發揮作用,航天器要想在太空中準確定位,需要利用其它方法。現在的科學家提出可通過獲取宇宙中脈衝星所發射的X射線來進行精確太空導航。這種方法的定位原理類似於在地球上利用GPS進行定位,不過不同的是,在太空中,需要把脈衝星當做定位用的燈塔。

脈衝星密度大,旋轉快速,並且擁有強大的磁場,能夠將輻射聚焦成兩個指向性極高的輻射束。同時,脈衝星的性狀十分穩定,它們的的穩定性甚至可以和原子鐘相媲美。如果航天器在太空中航行的時候能夠探測到脈衝星所發射的射線,便可通過計算射線達到飛船的時間並與一個參考位置的到達時間相比較,從而確定飛船的方位。這種定位方法的實際誤差可以控制在5公里範圍之內。

利用脈衝星進行定位,儘管原理看似簡單,但是目前立即投入應用還不大可能。目前用於探測太空X射線的望遠鏡設備體積過於龐大,並且十分笨重,工程師需要改進技術,設計出專用於脈衝星導航的探測設備。

應該說脈衝星定位是未來太空導航的一個較為先進的發展方向。

【以死的回答(2票)】:

謝邀!

談到定位系統,大家肯定都能異口同聲的說到GPS,當然還有我們自己的北斗系統。但這兩者都是針對地球而言,一旦離開了地球,進入太空就難施展拳腳了。想要確定航天器在太空中的位置,不僅要選擇一個合適的基準,還需要三個軸的角度信息。按基準的不同,我們可以分為以地球為基準方位的地球敏感器;以天體為基準方位的太陽敏感器和星敏感器;以慣性空間為基準方位的陀螺和加速度級;以地形地貌為基準方位的路標敏感器;以地面站為基準方位的射頻敏感器等。按照測量信息獲取方法的不同,姿態敏感器分為光學敏感器,磁敏感器,慣性敏感器等。

現在一般航天器利用星敏感器和地平儀測量星光與地平之間的「星光仰角」為觀測量的導航方法,有著導航系統簡單,易於實現等優點。其原理是利用CCD攝像機作為星敏感器獲取太空中恆星的圖樣,完成恆星圖像坐標的提取。將獲取的恆星圖像坐標與已知星歷中的恆星進行對比,完成航天器位置姿態的測量。

星敏感器作為光學敏感器的代表,而磁敏感器則是主要以磁強計為代表。磁強計一地磁場作為基準測量航天器的姿態。使用磁強計測量航天器所在空間環境中的磁場強度,使之與地磁場模型比對確定航天器相對於地磁場的姿態。使用三個相互正交的一維磁傳感器組成的三軸磁強計,分別測量相應磁場產生的感應電勢,航天器自身的姿態測量還可以實現航天器磁偏角的測量。磁強計性能可靠,功率低,工作適應性好,得到廣泛應用。但是地磁場模型本身就是一個近似的描述,會帶來很大的誤差,而且磁場強度隨距地心的距離增加而減弱,當軌道高度大於1000Km時就不適合這種方法了。

所以,題主所說的近地軌道,在轉移軌道,在繞月軌道,在去往火星的飛行軌道,在火星上,在其它區域乃至深空,航天器是可以有不同的定位方法的。

ps:最近考試比較多,實在沒時間展開討論上面列舉的諸多方法了。不過原則都是一致的,選擇基準,再想法設法的獲取三個三個軸的角度信息。

【根號派的回答(0票)】:

謝邀。

現在的航天器通常由航天器發出無線電信號,由地面的多個射電望遠鏡進行接收,通過接收的時間差和角度計算航天器的位置。

【linlio的回答(0票)】:

謝邀,我補充一點,以前美國登月採用了背景星空進行導航

【張健的回答(0票)】:

瀉藥,我也補充一點。近地軌道衛星採用較高軌道的gps衛星或者俄羅斯的那個定位系統來定位,這是大多數衛星採用的方法(部分中高軌道衛星也用這個)。

【白天琅的回答(0票)】:

謝邀 我認為應該是在更高軌道的衛星提供定位

標籤:-物理學 -天體物理學 -天文學 -航天 -航天器


相關資源:





給我留言