[科普中國]-航天器導(dǎo)航

簡介

人類依賴天體、日、月、星辰作為導(dǎo)航的依據(jù)已有數(shù)千年歷史。中國最早發(fā)明指南針，這是人類第一個(gè)導(dǎo)航工具，后來產(chǎn)生了羅盤，世界上第一個(gè)羅盤出現(xiàn)距今大約700年。羅盤出現(xiàn)后，隨之而來的是六分儀，世界上出現(xiàn)第一只六分儀約在400年前。這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)在的空間六分儀，開始應(yīng)用在航天器上。2

航天器導(dǎo)航就是軌道確定。它回答以下問題：“航天器在哪里？朝什么方向飛行？飛行速度是多少？”這些都屬于航天器運(yùn)動(dòng)學(xué)的幾何學(xué)性質(zhì)問題，因此需要選定一個(gè)參考坐標(biāo)系以及在這個(gè)坐標(biāo)系中航天器等運(yùn)動(dòng)物體的定位方法。對(duì)地球衛(wèi)星來說，如果求出在地心慣性坐標(biāo)系中航天器的三維位置及3個(gè)速度分量,就可以很方便地轉(zhuǎn)換成人們所熟悉的軌道六要素。1

航天器導(dǎo)航被劃分為兩類問題：姿態(tài)確定和軌道確定。相對(duì)于CIRS姿態(tài) 確定采用星跟蹤器，相對(duì)于太陽的姿態(tài)確定采用日傳感器，相對(duì)于地球的姿態(tài)確 定則采用水平傳感器。三軸陀螺儀用于穩(wěn)定從其他傳感器獲得的結(jié)果。地球低軌道衛(wèi)星也可以使用多天線GNSS定姿技術(shù)。

軌道確定是基于力學(xué)模型，并輔以距離測(cè)量星際飛行器和衛(wèi)星都是 如此。圖18.7說明了航天器的主要受力情況。多個(gè)天體的引力必須得考慮。 太陽輻射壓力的影響取決于飛行器的方向，及其表面對(duì)太陽光譜的反射率和吸 收率。必須考慮來自地球、月球和其他星體的反射，如同必須考慮從航天器的一 部分到另一部分的反射。建立了完善的模型，不用新的測(cè)量，在一個(gè)完整的軌道上衛(wèi)星位置的預(yù)測(cè)精度可達(dá)到幾米。3

在地球軌道上，距離測(cè)量可使用GNSS、多普勒無線電定軌定位系統(tǒng)(Doppler orbitography radiopositioning integrated by satellite,DORIS)、雷達(dá)跟蹤以 及衛(wèi)星激光測(cè)距（satellite laser ranging,SLR)，其中衛(wèi)星激光測(cè)距使用地球上的 激光器和基于衛(wèi)星的反射器來實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。在空間使用的GNSS接收機(jī)， 必須考慮在軌道速度上更大的多普勒頻移、信號(hào)強(qiáng)度的更大變化、大氣傳播誤差 的不同以及信號(hào)在負(fù)衛(wèi)星高度角時(shí)的可用性問題。和所有的空間硬件一 樣，它們必須能夠抗輻射和極端溫度。3

星際航天器可以通過多站通信鏈路雙向測(cè)距、脈沖星導(dǎo)航以及觀測(cè)行星 和衛(wèi)星的方向來實(shí)現(xiàn)。

在兩個(gè)航天器交會(huì)對(duì)接的運(yùn)動(dòng)控制過程中需要相對(duì)導(dǎo)航，即確定它們之間的相對(duì)位置和相對(duì)速度。導(dǎo)航的主要目的是實(shí)現(xiàn)軌道控制。有時(shí)也需要利用導(dǎo)航信息來給出航天器上有效載荷所需的指向和處理有效載荷的數(shù)據(jù)。載人航天器中需要通過儀表向航天員顯示導(dǎo)航參數(shù)。不同用途對(duì)導(dǎo)航參數(shù)的要求不同，例如姿態(tài)確定常常要求知道軌道根數(shù)，返回控制常常要求知道航天器相對(duì)于地球的位置和速度。

發(fā)展截至目前，在眾多的空間任務(wù)中，人們廣泛依賴地面導(dǎo)航方式進(jìn)行絕對(duì)定位、雷達(dá)測(cè)距方法和光學(xué)跟蹤方法均是被較多使用的地面導(dǎo)航方法。地面跟蹤系統(tǒng)有一個(gè)顯而易見的優(yōu)點(diǎn)，那就是不必在航天器上安裝主動(dòng)設(shè)備，由于地面跟蹤系統(tǒng)處于復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中，因此，需要進(jìn)行大量的地面操作并對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)分析。當(dāng)航天器與地球相距越來越遠(yuǎn)時(shí)，使用雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)也將導(dǎo)致航天器的位置估計(jì)誤差反增不減。為了實(shí)現(xiàn)必要的距離測(cè)定，雷達(dá)系統(tǒng)需要知道地面觀測(cè)臺(tái)的精確方位。應(yīng)用雷達(dá)系統(tǒng)的另一個(gè)受限因素在于，雷達(dá)系統(tǒng)還需要知道太陽系目標(biāo)的方位信息。然而，即使已知雷達(dá)站和太陽系目標(biāo)的精確信息，飛行器的位罝估計(jì)也僅在有限角度范圍內(nèi)是精確的。雷達(dá)發(fā)射波束連同反射信號(hào)一起以不確定錐形體形式傳輸出去,需要指出的是，這種傳輸方式導(dǎo)致飛行器的位罝信息在距離函數(shù)上呈線性下降趨勢(shì)。執(zhí)行深空探測(cè)任務(wù)或星際飛行任務(wù)的眾多航天器，可通過為航天器搭載主動(dòng)式發(fā)射器來實(shí)現(xiàn)軌道確定的目的。航天器在接收地面觀測(cè)臺(tái)發(fā)出指令的同時(shí)，也會(huì)將信號(hào)發(fā)回地球。隨后，接收站通過測(cè)量發(fā)送信號(hào)的多普勒頻率計(jì)算徑向速度。盡管這些系統(tǒng)的使用實(shí)現(xiàn)了航天器導(dǎo)航任務(wù)方面的許多突破，但該方法仍存在一些問題不容忽視，即隨著距離的增加,誤差問題也隨之出現(xiàn)。在早期的試驗(yàn)中，Viking航天器利用跟蹤設(shè)備作為導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)果表明，在火星探測(cè)任務(wù)中，航天器的位置估計(jì)誤差精度達(dá)到50km;在帶外行星探測(cè)任務(wù)中，航天器的位置估計(jì)誤差精度達(dá)到幾百千米。4

人們常用的第二種地面導(dǎo)航方法可稱作光學(xué)跟蹤方法?；诠鈱W(xué)跟蹤測(cè)量的航天器導(dǎo)航方式與雷達(dá)跟蹤測(cè)量方式類似,光學(xué)跟蹤測(cè)量方法主要是通過可見光反射到航天器上來確定航天器的方位。對(duì)于一些光學(xué)測(cè)量方法，首先需要采集圖像，在完成圖像分析并將圖像與恒星背景比較后，才能夠計(jì)算得出航天器的位罝。也就是說，利用此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量是很不容易的。除此之外，光學(xué)測(cè)量方法還受到環(huán)境條件的約束。

目前眾多的探測(cè)任務(wù)都是圍繞行星探測(cè)開展起來的，通過采集行星的視頻圖像并將視頻圖像與已知的行星參數(shù)進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)航天器導(dǎo)航，這些已知的行星參數(shù)主要包括該行星的直徑和相對(duì)于其他天體的位罝參數(shù)。如此一來，便可以得出航天器相對(duì)于行星的方位信息，不過使用該方法獲得航天器方位信息有個(gè)前提條件，必須保證航天器在觀測(cè)星附近。4

如何能夠?qū)崿F(xiàn)深空探測(cè)任務(wù)的精確絕對(duì)導(dǎo)航呢？一般認(rèn)為地面雷達(dá)測(cè)距與機(jī)上行星成像兩種方式的有機(jī)結(jié)合可以有效地解決這一問題，不過這種方法是在人機(jī)交互并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。此外，由于雷達(dá)測(cè)距誤差變化與飛行器和地球間的距離變化成正比例關(guān)系，隨著飛行器距離地球越來越遠(yuǎn)，雷達(dá)測(cè)距誤差也就越來越大，由于需要知道地面天線的精密指向精度，精確導(dǎo)航也變得更復(fù)雜了。另外，飛行器需載有用于導(dǎo)航的視頻圖像處理系統(tǒng)，不過機(jī)上系統(tǒng)的存在導(dǎo)致成本增加，同時(shí)飛行器與天體間的距離要足夠近，圖像處理過程才能展開。因此，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)太陽系甚至整個(gè)銀河系的精確絕對(duì)導(dǎo)航，對(duì)可供選擇的探測(cè)方法展開研究是非常有必要的。

飛行器鄰近地球飛行時(shí),GPS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)完全自主導(dǎo)航模式。GPS系統(tǒng)借助于24顆或32顆中髙軌道衛(wèi)星組成的星座陣傳輸微波信號(hào)，該星座陣幫助GPS接收器確定自己的方位、速度、方向和時(shí)間。然而，當(dāng)飛行器距離地球較遠(yuǎn)時(shí)，GPS系統(tǒng)將無法為飛行器提供全而的服務(wù)。4

大多數(shù)飛行器在進(jìn)行深空探測(cè)任務(wù)時(shí)會(huì)選擇深空網(wǎng)（DSN)。深空網(wǎng)是一個(gè)國際化的天線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括探測(cè)太陽系及宇宙的射電天文觀測(cè)臺(tái)、雷達(dá)天文觀測(cè)臺(tái)，能夠幫助實(shí)現(xiàn)星際飛行探測(cè)任務(wù)。深空網(wǎng)還能夠執(zhí)行選定的近地軌道任務(wù)。深空網(wǎng)由三個(gè)深空通信設(shè)備組成，這三個(gè)通信設(shè)備分別以約120°角分布在全世界的三個(gè)角落：加利福尼亞州莫哈韋沙漠的Goldstone、西班牙馬德里周邊以及澳大利亞堪培拉附近。這種布局安排具有很重大的戰(zhàn)略意義:一方面，即使在地球旋轉(zhuǎn)的情況下，這種分布也能實(shí)現(xiàn)航天器的持續(xù)觀測(cè)；另一方面，這種分布方式的出現(xiàn)使DSN成為了世界上最大、最靈敏的通信系統(tǒng)。

雖然深空網(wǎng)能夠提供精準(zhǔn)的徑向位置，但繁多的地面操作和地面觀測(cè)臺(tái)的協(xié)調(diào)安排依然是必不可少的。即使使用了干涉測(cè)量法，角度的不確定性情況也會(huì)隨著距離的增加越來越明顯。一般以1km~10km為單位來表示航天器與地球間的距離，借助于深空網(wǎng)的甚長基線干涉量度法（VLBI)可以得到位罝精確度。甚長基線干涉量度法是天文干涉測(cè)量法在射電天文學(xué)中應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例。將多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組合成一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡來觀測(cè)一個(gè)天體，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的尺寸相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡之間的最遠(yuǎn)距離。將每個(gè)天線陣列接收到的數(shù)據(jù)與時(shí)間信息匹配（通常使用的是當(dāng)?shù)卦隅姡?，并將匹配信息?chǔ)存在磁帶或硬盤上以備后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。后期，將此數(shù)據(jù)與其他天線記錄的數(shù)據(jù)做互相關(guān)處理，并獲取結(jié)果。利用干涉測(cè)量法，該方法的精度與觀測(cè)頻率及天線陣中天線的最遠(yuǎn)距離成正比例關(guān)系。相對(duì)于傳統(tǒng)干涉測(cè)量方法而言,VLBI技術(shù)可以大幅提升天線陣列中天線的最遠(yuǎn)距離，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)技術(shù)，必須利用同軸電纜、波導(dǎo)、光纖或其他無線傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)天線之間的連接。4

分類航天器軌道確定基本上可分為兩大類：自主和非自主。非自主測(cè)軌由地面站設(shè)備，例如雷達(dá)，對(duì)航天器進(jìn)行跟蹤測(cè)軌，并且在地面上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后獲得軌道位置信息。相反，若航天器的位置和速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)用星上測(cè)軌儀器（或稱導(dǎo)航儀器）來確定，而該儀器的工作不依賴于位于地球或其他天體的導(dǎo)航和通信設(shè)備，那么軌道確定（空間導(dǎo)航）則是自主的。1

過去,絕大部分航天器都采用非自主測(cè)軌。由于這種方法存在很大局限性，它要依賴地面站，而一個(gè)地面站跟蹤衛(wèi)星的時(shí)間是非常有限的。如果要連續(xù)跟蹤衛(wèi)星，則需要相當(dāng)數(shù)量的地面站。例如要求地面站100%時(shí)間覆蓋航天器，當(dāng)軌道高度為270km時(shí)，需要56個(gè)站；當(dāng)高度為800km時(shí)，也需要設(shè)20個(gè)站，而且這些站都要求理想分布，其中大多數(shù)站勢(shì)必在國外或海上。由此可見，用增加地面站的辦法來跟蹤低軌道航天器100%的軌道時(shí)間是不經(jīng)濟(jì)的，甚至是不現(xiàn)實(shí)的。但若不能連續(xù)跟蹤航天器，則測(cè)軌只能利用一段軌道數(shù)據(jù)處理技術(shù)，當(dāng)設(shè)站不夠多時(shí)，測(cè)軌精度很低。1

自主導(dǎo)航存在兩種方式：被動(dòng)或主動(dòng)。被動(dòng)方式意味著與航天器以外的衛(wèi)星或地面站沒有任何合作，例如空間六分儀；而主動(dòng)方式意味著與航天器以外的地面站或衛(wèi)星（例如數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星）有配合，例如全球定位系統(tǒng).另外還存在一個(gè)問題需要考慮，即航天器自主軌道確定與姿態(tài)確定是相互關(guān)聯(lián)或者互相獨(dú)立的，一般說來由于軌道比姿態(tài)變化緩慢的原因，希望軌道確定和姿態(tài)確定互相分開，特別在精度要求很高的場合.但是有許多敏感器，例如空間六分儀、陸標(biāo)跟蹤器、慣性測(cè)量部件、太陽和星敏感器等，既可以作軌道確定系統(tǒng)的敏感器，同樣地也可作姿態(tài)確定系統(tǒng)的敏感器。根據(jù)這些敏感器所得到的信息，設(shè)計(jì)相應(yīng)軟件，經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，就可以得到有關(guān)軌道和姿態(tài)的數(shù)據(jù).在這種情況下，姿態(tài)和軌道確定是相關(guān)聯(lián)的。1

空間自主導(dǎo)航系統(tǒng)按它的工作原理可分為五大類。

（1）測(cè)量對(duì)于天體視線的角度來確定航天器的位置:這基本上是屬于天文導(dǎo)航方法。在這種導(dǎo)航系統(tǒng)中，航天器首先測(cè)定它對(duì)地球表面的當(dāng)?shù)卮咕€，然后以此為基準(zhǔn)分別測(cè)量3個(gè)彼此獨(dú)立的已知星體的角度.根據(jù)這些測(cè)量數(shù)據(jù)就可推算出航天器的位置和姿態(tài)信息。1

天文導(dǎo)航系統(tǒng)是以天空的星體作為導(dǎo)航臺(tái)、星光作為導(dǎo)航信號(hào)的測(cè)角定位系統(tǒng)。星體離航天器很遙遠(yuǎn)，這時(shí)很小的測(cè)角誤差就會(huì)產(chǎn)生很大的定位誤差。為了精確定位，除了要求高精度測(cè)角外，還要有高精度的方向基準(zhǔn)，而且設(shè)備的價(jià)格昂貴，系統(tǒng)的工作受氣象條件限制。但是，由于星體離地面很遠(yuǎn)，系統(tǒng)工作區(qū)域廣，可對(duì)在外層空間活動(dòng)的航天器進(jìn)行導(dǎo)航，而且當(dāng)航天器在大氣層之上時(shí)，導(dǎo)航就不再受氣象條件限制。1

（2）測(cè)量地面目標(biāo)基準(zhǔn)來確定航天器的位置和姿態(tài)：這種系統(tǒng)要依靠地面控制點(diǎn)或陸標(biāo)，而這些地面目標(biāo)從空間是可以被識(shí)別出來的，地面控制點(diǎn)有很多形式，例如精確的光源、發(fā)射機(jī)、特征或地面上特定的地區(qū)。雖然不同的系統(tǒng)探測(cè)地面控制點(diǎn)的形式各不相間，但從被測(cè)量的參數(shù)總是可以得到航天器完整的位置和姿態(tài)的信息。

（3） 對(duì)已知信標(biāo)測(cè)距：這類自主導(dǎo)航系統(tǒng)要依靠己知信標(biāo)來測(cè)量航天器到3個(gè)或更多已知點(diǎn)的距離，然后用三角法解出所求航天器的位置。通過獲取由已知信標(biāo)發(fā)射的某種形式的導(dǎo)航信號(hào)來確定距離，這種導(dǎo)航信號(hào)中包括有關(guān)發(fā)射機(jī)的位置和信號(hào)開始發(fā)送的時(shí)間信息。然后接收機(jī)根據(jù)已知信號(hào)接收時(shí)間解出信號(hào)傳播時(shí)間，若信號(hào)傳播速度不變，則可以估算出距離。全球定位系統(tǒng)（GPS)導(dǎo)航就屬于這一類。1

（4） 慣性導(dǎo)航方法：它主要由慣性測(cè)量裝置、計(jì)算機(jī)和穩(wěn)定平臺(tái)（捷聯(lián)式?jīng)]有穩(wěn)定平臺(tái)）組成。通過陀螺和加速度計(jì)測(cè)量航天器相對(duì)于慣性空間的角速度和線加速度，并由計(jì)箅機(jī)推算出航天器的位置、速度和姿態(tài)等信息.因此慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也是航天器的自備式航位推算系統(tǒng)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有抗干擾、抗輻射性（如電磁波和光波）強(qiáng)，不受外界影響，導(dǎo)航精度也較高的特點(diǎn)，自主性很強(qiáng)，適用范圍廣。但是它有積累誤差，由于陀螺總存在漂移，導(dǎo)航精度會(huì)隨著系統(tǒng)工作時(shí)間的增加而降低，因而此種方法難于滿足長壽命航天器的導(dǎo)航任務(wù).另外，當(dāng)航天器在自由飛行時(shí)，慣性導(dǎo)航對(duì)加速度計(jì)靈敏度要求很高，大約須高于（10-8～-1-9）g以上的靈敏度，還要求準(zhǔn)確的重力場數(shù)據(jù)。因此慣性導(dǎo)航適用于航天器主動(dòng)段。1

導(dǎo)航設(shè)施載人航天器在太空飛行期間，空間導(dǎo)航設(shè)施起著重要的作用，它是航天交通網(wǎng)的“路標(biāo)”?？臻g導(dǎo)航的主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)航天器距目標(biāo)的距離，飛行速度以及飛行方向的偏差，導(dǎo)航工作最主要的是進(jìn)行跟蹤測(cè)量。

在載人航天的初期，大部分導(dǎo)航工作是由地球上的設(shè)備來完成的。航天器本身只完成一小部分。后來由于導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，載人航天器本身完成的工作越來越多?？梢灶A(yù)測(cè)，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和導(dǎo)航設(shè)備的性能越來越先進(jìn)，未來的載人航天器會(huì)具有完全獨(dú)立的空間導(dǎo)航能力。2

載人航天器在飛行過程中，在不同的階段將采用不同的空間導(dǎo)航方法。目前主要的方法如下。

(1) 在航天器地面控制行期間，可采用無線電測(cè)距和甚長基線測(cè)量法測(cè)速。航天器可以采用慣性測(cè)量裝置、空間六分儀和光學(xué)星圖表，使航天員時(shí)刻都能知道自己的飛行狀態(tài)。

(2) 載人飛行器在軌道對(duì)接時(shí)，要進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行，時(shí)刻調(diào)整偏差，這時(shí)主要采用無線電測(cè)距和航天員目視跟蹤。

(3) 航天器在降落期間可以釆用雷達(dá)測(cè)距和多普勒測(cè)速。航天器向地面降落時(shí)還可以采用著陸輔助設(shè)備。

航天器的空間導(dǎo)航設(shè)備主要有地面導(dǎo)航設(shè)備和航天器上的導(dǎo)航設(shè)備兩種。

航天器在大多數(shù)階段都是靠地面導(dǎo)航設(shè)備來導(dǎo)航的，美國宇航局主要依靠地面雷達(dá)進(jìn)行跟蹤測(cè)試，然后再根據(jù)信號(hào)計(jì)算航天器飛行的距離，其精確度可達(dá)到幾米。2

20世紀(jì)70年代，美國載人飛船在執(zhí)行任務(wù)期間，主要依靠地面的跟蹤測(cè)量船，多艘跟蹤測(cè)量船可以構(gòu)成一個(gè)太空跟蹤網(wǎng)。另外還有3個(gè)地面測(cè)量站，主要分布在加利福尼亞州、澳大利亞和西班牙，基本上覆蓋了全球。地面跟蹤站從無線電信號(hào)提取多普勒速度和距離信息，并通過跟蹤站傳送到設(shè)在加利福尼亞的噴氣推力中心實(shí)驗(yàn)室的中央計(jì)算機(jī)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以及時(shí)調(diào)整航天器的速度及飛行姿態(tài)。

載人航天器上的導(dǎo)航設(shè)備主要有慣性測(cè)量裝置、空間六分儀和光學(xué)定位系統(tǒng)。

慣性測(cè)量裝置最早應(yīng)用于飛機(jī)導(dǎo)航，后經(jīng)過改進(jìn)又用到了火箭上，而后又經(jīng)過適當(dāng)改進(jìn)被用在了載人航天器上，用于測(cè)量航天器的飛行姿態(tài)、所在位置和飛行速度。美國為“阿波羅號(hào)”研制的慣性測(cè)量裝置是一種典型的導(dǎo)航設(shè)備。它由3個(gè)常規(guī)陀螺儀和3個(gè)安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上的加速度表組成。

空間六分儀用于測(cè)量瞄準(zhǔn)線與各種星體間的角度，用此來測(cè)定飛行器的飛行方向。當(dāng)恒星偏離六分儀的瞄準(zhǔn)線時(shí)表明慣性測(cè)量儀需要重新對(duì)準(zhǔn)。2

光學(xué)定位系統(tǒng)利用目標(biāo)周圍的恒星背景作為確定載人航天器接近目標(biāo)體的方向。同樣載人航天器上也裝有目標(biāo)測(cè)距裝置和多普勒雷達(dá)，在飛行過程中，載人航天器上和地面上的測(cè)量系統(tǒng)自始至終共同工作，以達(dá)到最高的導(dǎo)航精度。

空間導(dǎo)航與地面導(dǎo)航不同，飛行器的飛行軌道是預(yù)先設(shè)定好的，在飛行器飛行過程中通過各種儀器描繪出其實(shí)際的飛行軌道，然后對(duì)比其預(yù)先測(cè)定的軌道模型，及時(shí)修正飛行器的飛行姿態(tài)，以完成預(yù)定的任務(wù)。2