NASA深空探测
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• 原位无线电跟踪测量系统能够跟踪并测量飞行器运动轨迹、
目标特性。它具有全天候、远距离探测、便于传送多种信 息和实时处理等优势。 • 利用原位无线电跟踪测量技术，实现更高精度的轨道和位 置预测，使导航系统的着陆设备更加简单，导航精度更加 准确，传输速度更加快捷。
探索深空导航的新方法
• X射线脉冲星是高速自转的中子
星上的特征物体，经过计算获取探测器的位置和速度信息。 • 目前，光学导航已被广泛用于探测器的飞越任务和外行星 登陆任务。 • 未来，除了继续开发兼顾费用、质量和动力的专用导航摄 像机外，将重点对光学导航的自主着陆及障碍规避技术进 行研究。
光学导航在“好奇”号上的应用
导航相机：“好奇”号在 桅杆上装有两对导航用的 黑白3D相机，每个有45度 的视野。这种相机能协同
制，如果地面必须在控制回路中，这些任务将无法完成。 • 更多地使用原地导航以及光学导航，这些导航利用原地的 资源，增强了自主导航和近距离操作的能力。 • 更多地使用三体或者四体动力学下的低推力推进和低能量 传递，将更多的仪器载荷传送到目标。 • 愈发需要更高精度的导航、制导与控制，并利用更高分辨
率的仪器，来实现定点着陆。
实现对随机扰动的建模或者补偿。 • 解决方案：冷原子干涉仪。 • 冷原子的速度可以精确地控制在每秒几米左右,在系统集成 和小型化方面有着明显优势.冷原子具有质量和传播时间长 等特征决定了它在精密测量领域有着独特的优势。
总结
本文章对08年后的25年内深空导航任务进行了科学的 预测，指明了未来可能遇到的问题、挑战，分析得到了 需要推行及更新的导航手段与策略。 通过学习本文章，我们对深空导航技术现状与发展
– Ka波段跟踪 – 2011年8月5日发射，预计2016年到达木星轨道
• 火星侦察兵计划
– 火星大气层导航
“好奇号”火星探测器
2013年9月，美国航天局26日利用“好奇”号携带的样本分析仪，将其登陆 火星后获得的第一铲细粒土壤加热到835摄氏度的高温，结果分解出水、二 氧化碳以及含硫化合物等物质，其中水的质量约占2%。
与其他深空探测天线运营商合作
• 合作的好处
通过使用附加的非DSN的天线地点，我们能够获得：
– 更精确的观测几何关系。
– 通过使用相距很远的有相同近似经度的天线，可获得扩
展的相同可见性，并且一般来说有很多附加的VLBI跟踪
机会。
扩大光学导航的使用
• 光学导航是通过探测器的光学导航相机拍摄行星等天体或
深空导航任务所面临的主要挑战
• 愈发需要飞行轨迹与姿态控制的集成，来实现大气辅助操
作、低推力导航、小星体接近操作以及编队飞行。 • 除此之外，仍需降低高性能导航系统的成本与风险，这要 通过生产轻质，低成本，高可靠性导航元件来实现。
推行战略
• 增进无线电测量跟踪能力
• 扩大光学导航的使用 • 开发通用的自主导航能力 • 改善频率和时间子系统 • 研发原位无线电跟踪测量系统 • 探索深空导航的新方法
“朱诺”号木星探测器
未来25年的深空探测任务
• 火星导航卫星
– 超高频,X-波段、Ka波段或者光链路
• 火星取样返回任务
– 精确降落，爬坡，绕火星轨道探测、交会
• 火星侦察兵—航空漫游车
– 火星大气探测
• 彗星取样
– 不可预测环境下进行接近操作，飞行轨迹和姿态控制相互作用，精确降落
• 带外行星轨道探测器
可测出飞行器相对于地面测控站的角度、距离和距离变化率等 参数，确定飞行器的空间位置和速度。连续进行这样的跟踪测
量即可得出飞行器的弹道或轨道。
增进无线电测量跟踪能力
• 转变到Ka频段
• 与其他深空探测天线运营商合作
转变到Ka频段
• 优势
– 受带电粒子效应影响小，并且有更小的测量噪声。 – Ka波段的无线电频率资源更加紧凑，而且深空Ka波段的波谱配置 500MHz频率是X-波段的50MHz波谱配置的十倍。
• 在小行星探测器着陆过程中，由于小行星周围引力场复杂、
测控信息匮乏、探测器与地面控制站通信延迟大等特点， 使得小行星探测任务中的导航、制导与控制技术成为了小 行星探测技术需要研究的重点之一。 • 自主导航一方面能够减少传统导航方法在操作上的复杂性， 降低成本，更重要的是自主导航方式不需要地面控制站的 支持，给深空环境下进行实时导航提供了可能。
趋势有了初步认识。由于能力有限，对相关知识的理解
尚存在欠缺，请老师与同学批评指正。
谢谢
增进无线电测量跟踪能力
• 无线电跟踪测量系统是用无线电波在地面和探测器之间传递各
种信息。地面向探测器发送的信号称上行信号；飞行器向地面 发送的信号称下行信号。 • 工作原理：发射机产生的无线电信号由天线定向辐射到目标所 在的空间，再由地面接收天线接收飞行器转发或发送的下行信
号，经接收机检测，比较上、下行信号或下行信号的变化，即
主计算机工作并合成三维 避险相机：在四个角落的较低位置各装有一对避开障碍用的
立体照片，让好奇号在行 黑白3D相机，每个约有１２０度的视野。它们主要用来防止 驶和移动机械臂时能及时 “好奇”号意外撞上障碍物，并在软件的帮助下，让“好奇” 发现并躲开障碍物。 号能够在一定程度上自主决定行走路线。
开发通用的自主导航能力
未来25年深空导航
未来25年的深空探测任务
• “黎明”计划（小行星探测）
– 低推力，精确的光学导航 – 2007年9月27日发射，搜索灶神星和谷神星
• 火星科学实验室（火星车）
– 高地登陆，再入、下降和着陆，闭环控制下躲避障碍 – 2011年11月25日发射，2012年8月6日抵达火星
• “朱诺”号木星探测器
• 问题 为了能够最大限度地使用Ka波段跟踪，很有必要：
– 提高中性介质以及地球方向校准的精度与及时性。 – 需要获得更精确的类星体列表作为Ka波段源。
与其他深空探测天线运营商合作
使用NASA的DSN只能实现VLBI一天两次地在两个某些狭窄的 瞬时窗口跟踪一个航天器，而两个DSN地面站复合工作时对 航天器能够达到Baidu Nhomakorabea同的能见度。
开发通用的自主导航能力
• 自主导航作为一种验证技术首先被用于1998年发射的“深空一号”探
测器上，探测器在巡航段的自主导航是基于导航相机拍摄带有恒星背 景的小行星图像来完成的；在接近和飞越小行星段是基于目标天体图 像的自主导航。 • 1999 年发射的“星尘”号彗星探测器，在接近及飞越彗星过程中，自 主导航系统利用拍摄的彗星图像，结合姿态确定系统及滤波技术，完 成了飞越过程中的实时导航及对彗星尘埃的收集任务。 • 目前的自主导航技术主要利用光学导航系统提供的数据。未来的自主
星，具有极其稳定的周期性，被 誉为自然界最精准的天文时钟。
因此，脉冲星能够成为人类在宇
宙中航行的“灯塔”，为近地轨 道、深空和星际空间飞行的航天
器提供自主导航信息服务。
• 利用X射线脉冲星导航能够提供 10维导航信息，包括3维位置、3 维速度、3维姿态和1维时间。
探索深空导航的新方法
• 利用高灵敏度的加速度计感应作用在飞船的非重力，进而
导航系统将会用到激光雷达，地面无线电测量等提供的数据。
改善频率和时间系统
• 通过使用超稳定（晶振）振荡器，改善系统频率稳定度，
降低深空导航服务的成本，提高深空导航能力，而且能够 更好地进行轨道预测。 • 通过逐步改进深空导航系统各子系统的性能，提高系统的 整体性能，以满足新任务对导航系统的要求。
研发原位无线电跟踪测量系统
– 三体导航、放射环境、气动捕获
未来二十五年的深空探测任务
• 多航天器望远镜
– 精密编队飞行
• 金星原位探索
– 金星的再入、下降和着陆段，火星大气层导航
• 人类登陆火星
– 载人可靠性的验证
• 带外行星登陆
– 三体导航，放射环境，再入、下降和着陆
深空导航任务所面临的主要挑战
• 对自主导航的更多需求。很多任务需要快速更新的闭环控
目标特性。它具有全天候、远距离探测、便于传送多种信 息和实时处理等优势。 • 利用原位无线电跟踪测量技术，实现更高精度的轨道和位 置预测，使导航系统的着陆设备更加简单，导航精度更加 准确，传输速度更加快捷。
探索深空导航的新方法
• X射线脉冲星是高速自转的中子
星上的特征物体，经过计算获取探测器的位置和速度信息。 • 目前，光学导航已被广泛用于探测器的飞越任务和外行星 登陆任务。 • 未来，除了继续开发兼顾费用、质量和动力的专用导航摄 像机外，将重点对光学导航的自主着陆及障碍规避技术进 行研究。
光学导航在“好奇”号上的应用
导航相机：“好奇”号在 桅杆上装有两对导航用的 黑白3D相机，每个有45度 的视野。这种相机能协同
制，如果地面必须在控制回路中，这些任务将无法完成。 • 更多地使用原地导航以及光学导航，这些导航利用原地的 资源，增强了自主导航和近距离操作的能力。 • 更多地使用三体或者四体动力学下的低推力推进和低能量 传递，将更多的仪器载荷传送到目标。 • 愈发需要更高精度的导航、制导与控制，并利用更高分辨
率的仪器，来实现定点着陆。
实现对随机扰动的建模或者补偿。 • 解决方案：冷原子干涉仪。 • 冷原子的速度可以精确地控制在每秒几米左右,在系统集成 和小型化方面有着明显优势.冷原子具有质量和传播时间长 等特征决定了它在精密测量领域有着独特的优势。
总结
本文章对08年后的25年内深空导航任务进行了科学的 预测，指明了未来可能遇到的问题、挑战，分析得到了 需要推行及更新的导航手段与策略。 通过学习本文章，我们对深空导航技术现状与发展
– Ka波段跟踪 – 2011年8月5日发射，预计2016年到达木星轨道
• 火星侦察兵计划
– 火星大气层导航
“好奇号”火星探测器
2013年9月，美国航天局26日利用“好奇”号携带的样本分析仪，将其登陆 火星后获得的第一铲细粒土壤加热到835摄氏度的高温，结果分解出水、二 氧化碳以及含硫化合物等物质，其中水的质量约占2%。
与其他深空探测天线运营商合作
• 合作的好处
通过使用附加的非DSN的天线地点，我们能够获得：
– 更精确的观测几何关系。
– 通过使用相距很远的有相同近似经度的天线，可获得扩
展的相同可见性，并且一般来说有很多附加的VLBI跟踪
机会。
扩大光学导航的使用
• 光学导航是通过探测器的光学导航相机拍摄行星等天体或
深空导航任务所面临的主要挑战
• 愈发需要飞行轨迹与姿态控制的集成，来实现大气辅助操
作、低推力导航、小星体接近操作以及编队飞行。 • 除此之外，仍需降低高性能导航系统的成本与风险，这要 通过生产轻质，低成本，高可靠性导航元件来实现。
推行战略
• 增进无线电测量跟踪能力
• 扩大光学导航的使用 • 开发通用的自主导航能力 • 改善频率和时间子系统 • 研发原位无线电跟踪测量系统 • 探索深空导航的新方法
“朱诺”号木星探测器
未来25年的深空探测任务
• 火星导航卫星
– 超高频,X-波段、Ka波段或者光链路
• 火星取样返回任务
– 精确降落，爬坡，绕火星轨道探测、交会
• 火星侦察兵—航空漫游车
– 火星大气探测
• 彗星取样
– 不可预测环境下进行接近操作，飞行轨迹和姿态控制相互作用，精确降落
• 带外行星轨道探测器
可测出飞行器相对于地面测控站的角度、距离和距离变化率等 参数，确定飞行器的空间位置和速度。连续进行这样的跟踪测
量即可得出飞行器的弹道或轨道。
增进无线电测量跟踪能力
• 转变到Ka频段
• 与其他深空探测天线运营商合作
转变到Ka频段
• 优势
– 受带电粒子效应影响小，并且有更小的测量噪声。 – Ka波段的无线电频率资源更加紧凑，而且深空Ka波段的波谱配置 500MHz频率是X-波段的50MHz波谱配置的十倍。
• 在小行星探测器着陆过程中，由于小行星周围引力场复杂、
测控信息匮乏、探测器与地面控制站通信延迟大等特点， 使得小行星探测任务中的导航、制导与控制技术成为了小 行星探测技术需要研究的重点之一。 • 自主导航一方面能够减少传统导航方法在操作上的复杂性， 降低成本，更重要的是自主导航方式不需要地面控制站的 支持，给深空环境下进行实时导航提供了可能。
趋势有了初步认识。由于能力有限，对相关知识的理解
尚存在欠缺，请老师与同学批评指正。
谢谢
增进无线电测量跟踪能力
• 无线电跟踪测量系统是用无线电波在地面和探测器之间传递各
种信息。地面向探测器发送的信号称上行信号；飞行器向地面 发送的信号称下行信号。 • 工作原理：发射机产生的无线电信号由天线定向辐射到目标所 在的空间，再由地面接收天线接收飞行器转发或发送的下行信
号，经接收机检测，比较上、下行信号或下行信号的变化，即
主计算机工作并合成三维 避险相机：在四个角落的较低位置各装有一对避开障碍用的
立体照片，让好奇号在行 黑白3D相机，每个约有１２０度的视野。它们主要用来防止 驶和移动机械臂时能及时 “好奇”号意外撞上障碍物，并在软件的帮助下，让“好奇” 发现并躲开障碍物。 号能够在一定程度上自主决定行走路线。
开发通用的自主导航能力
未来25年深空导航
未来25年的深空探测任务
• “黎明”计划（小行星探测）
– 低推力，精确的光学导航 – 2007年9月27日发射，搜索灶神星和谷神星
• 火星科学实验室（火星车）
– 高地登陆，再入、下降和着陆，闭环控制下躲避障碍 – 2011年11月25日发射，2012年8月6日抵达火星
• “朱诺”号木星探测器
• 问题 为了能够最大限度地使用Ka波段跟踪，很有必要：
– 提高中性介质以及地球方向校准的精度与及时性。 – 需要获得更精确的类星体列表作为Ka波段源。
与其他深空探测天线运营商合作
使用NASA的DSN只能实现VLBI一天两次地在两个某些狭窄的 瞬时窗口跟踪一个航天器，而两个DSN地面站复合工作时对 航天器能够达到Baidu Nhomakorabea同的能见度。
开发通用的自主导航能力
• 自主导航作为一种验证技术首先被用于1998年发射的“深空一号”探
测器上，探测器在巡航段的自主导航是基于导航相机拍摄带有恒星背 景的小行星图像来完成的；在接近和飞越小行星段是基于目标天体图 像的自主导航。 • 1999 年发射的“星尘”号彗星探测器，在接近及飞越彗星过程中，自 主导航系统利用拍摄的彗星图像，结合姿态确定系统及滤波技术，完 成了飞越过程中的实时导航及对彗星尘埃的收集任务。 • 目前的自主导航技术主要利用光学导航系统提供的数据。未来的自主
星，具有极其稳定的周期性，被 誉为自然界最精准的天文时钟。
因此，脉冲星能够成为人类在宇
宙中航行的“灯塔”，为近地轨 道、深空和星际空间飞行的航天
器提供自主导航信息服务。
• 利用X射线脉冲星导航能够提供 10维导航信息，包括3维位置、3 维速度、3维姿态和1维时间。
探索深空导航的新方法
• 利用高灵敏度的加速度计感应作用在飞船的非重力，进而
导航系统将会用到激光雷达，地面无线电测量等提供的数据。
改善频率和时间系统
• 通过使用超稳定（晶振）振荡器，改善系统频率稳定度，
降低深空导航服务的成本，提高深空导航能力，而且能够 更好地进行轨道预测。 • 通过逐步改进深空导航系统各子系统的性能，提高系统的 整体性能，以满足新任务对导航系统的要求。
研发原位无线电跟踪测量系统
– 三体导航、放射环境、气动捕获
未来二十五年的深空探测任务
• 多航天器望远镜
– 精密编队飞行
• 金星原位探索
– 金星的再入、下降和着陆段，火星大气层导航
• 人类登陆火星
– 载人可靠性的验证
• 带外行星登陆
– 三体导航，放射环境，再入、下降和着陆
深空导航任务所面临的主要挑战
• 对自主导航的更多需求。很多任务需要快速更新的闭环控