深空探测器的自主天文导航原理与方法

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4.1.2天文导航对深空探测的重要性 深空探测器的轨道分类
1）直接转移轨道
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4.1.2天文导航对深空探测的重要性 深空探测器的轨道分类
2）.调相转移轨道
天文与深空导航学
主讲：魏二虎 教授
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目录
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
第八章
天文与深空导航的理论基础 天文导航的天体敏感器 低轨地球卫星自主天文导航基本原理 深空探测器的自主天文导航原理与方法 VLBI技术用于深空探测器导航的原理与方法 USB技术用于深空探测器导航的原理与方法 脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原 理与方法 其他导航技术在深空探测中应用与国内外深空 探测计划
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4.1.1深空探测的发展
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4.1.1深空探测的发展
1）．先驱者号探测外行星 • 先驱者号探测器是美国发射
的行星和行星际探测器系列 之一。 • 1958 年 10 月 到 1978 年 8 月 之 间共发射了13颗，用来探测 地球、月球、金星、木星、 土星等行星及其行星际空间。 • 其中最为引人注目的是先驱 者10号和先驱者11号。
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4.1 引 言
4.1.1 深空探测的发展
4.1.2
天文导航对深空探测的重要性
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4.1.2天文导航对深空探测的重要性
对于深空探测器来说，拥有自主导航的能力具有重大意义。 ① 一方面，可以大大减轻地面站的负担； ② 另一方面，自主导航可以为其他自主能力例如自 主姿态控制等提供支持。 当前可以对深空探测器进行实时导航的方法主要有天 文导航和地面站测量等。
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4.1.2天文导航对深空探测的重要性 深空探测器的轨道分类
3.）小推力缓慢转移轨道
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4.1.2天文导航对深空探测的重要性 深空探测器的轨道分类
4.）经过拉格朗日点的转移轨道
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火星勘测轨道器(Mars Reconnaissance Orbiter，2005年8月~现在，美)
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凤凰号火星车（Phoenix Mars Lander。2007 年8月~2008年11月，美）
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4.1.1深空探测的发展
• 1972年向木星发射的先驱者10号是第一个到达木星、木星 卫星和土星附近的探测器。
• 之后先驱者10号飞过冥王星，于1983年飞离太阳系，进入 恒星际空间，成为第一个飞出太阳系的探测器。
• 到2005年1月，先驱者10号已距离地球122X108km，从飞船 发回的信号需用11小时20分才能到达地球。
该力学模型包括： ①地球中心引力，月球中心引力； ②地球形状摄动，月球形状摄动； ③大气阻力； ④太阳引力摄动，太阳辐射压摄动。
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Model of the Clementine
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玉兔号（中）
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4.1.1深空探测的发展
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4.1.2天文导航对深空探测的重要性 深空探测器的轨道
深空探测器的轨道一般可以分为三个阶段， ①地球附近的停泊轨道段； ②从地球到目标星体的转 移轨道段； ③捕获轨道段。
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4.1.2天文导航对深空探测的重要性 深空探测器的轨道
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第四章. 深空探测器的自主天文导航 原理与方法
4.1 引 言 4.1.1 深空探测的发展 4.1.2 天文导航对深空探测的重要性
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4.1 引 言 ——深空探测定义
• 旅行者2号则正沿着另一条轨道飞向太阳系的边缘，目前 距离太阳也有100X108km。目前旅行者号仍在高速飞行， 正在向太阳系边缘前进。
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4.1.1深空探测的发展
3）．月球探测器 • 自阿波罗登月计划后，20世纪70年
代中期到90年代初，人类的探月活 动处于低潮。 • 1994年美国发射的克莱门汀号探测 器发现月球南极可能有冰。 • 接着在1998年又发射了月球探测者 进行水资源探测，也认为在月球南 北两极陨石坑底部存在着水。
②为保持系统正常运行探测器必须装备复杂、昂贵的测控和 通信设备，增加了任务成本。
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4.1.2天文导航对深空探测的重要性 天文导航的特点和优点
天文导航是一种重要的自主导航方法，具有以下特点： ①不须与外界进行任何信息交换，是一种完全自主的导航定
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4.1.2天文导航对深空探测的重要性 ——地面观测的不足
地面站遥测定位的不足之处在于：
①不能自主，必须依赖地面站的支持，而我国目前测控的距 离还不能完全满足深空的要求，且无线电测控导航由于被 探测天体遮挡等原因也不能覆盖全过程；
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火星环球勘测者(Mars Global Surveyor， 1996年11月~2006年11月，美)
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火星全球勘测者所拍摄的照片
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• 截至2004年底，旅行者1号已距地球140X108km，是目前飞 得最远的人造航天器，它在2004年12月16 日左右探测到的 一些迹象，使科学家们判断它已首次穿越太阳系最外层的 标志——激波边界。
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4.1.1深空探测的发展
• 旅行者1号于1979年3月先期飞近木 星，旅行者2号于7月到达，拍摄了 木星大红斑照片，并发现木卫1有活 火山喷发、木卫2(欧罗巴)上面完全 由一层冰覆盖。
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4.1.1深空探测的发展
• 旅行者号探测器接着又飞近土星观察了土星环，1986年飞 抵天王星附近，1989年飞抵海王星附近。
• 二者仅在轨道动力学方程和天文量测量上有所不同。
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4.2.1月球探测器在转移轨道上的轨道动 力学方程
• 月球探测器在转移轨道上的轨道动力学方程在其他专业课 本有详细的介绍，在应用到转移轨道的天文导航系统中时， 应兼顾精度和计算量的要求。现给出了一种满足精度要求 的简化力学模型。
总体来说，深空探测存在广义和狭义两种定义。
– (1) 广义的深空探测：对地球以外天体和行星际 开展的空间探测活动；
– (2) 狭义的深空探测：航天器在飞行过程中，其 所处的主引力场是地球以外的天体，或处于多 体引力平衡点附近的空间探测活动。
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4.1.2天文导航对深空探测的重要性 深空探测器的轨道分类
5.）借力飞行转移轨道
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4.2 月球探测器在转移轨道上的天文导航方法
4.2.1
月球探测器在转移轨道上的轨道动力学方程
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火星奥德赛(Mars Odyssey，2001 年4月，至今，美)
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勇气号火星车(MER-Spirit，2003年 6月~2010年3月，美)
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• 先驱者10号原设计寿命为22个月，但最终工作时间长达25 年。
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4.1.1深空探测的发展
• 先驱者11号于1973年 4月6日启程，以探测 土星为主要目标。
• 1979年9月1日，先驱 者11号从距土星3 400 km的地方掠过
机遇号(MER- Opportunity，2003 年7月~现在，美)
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火星快车(Mars Express，2003年6 月——现在，欧)
• 这一轨道器于2003年12月入 轨，2004年1月份开始不断传 回火星的立体彩色图像和其 它数据。
4）．火星探测 • 迄今为止，美国、俄罗斯已发射了近30个火星探测器。
1996年美国发射的火星探路者及其携带的旅居者号火星车， 对火星探测取得了大量成果，发回了数千张火星地表照片， 使人类对火星地表景观有了直观的认识。 • 在2002年火星探测器奥德赛号又发现火星表层下深处有混 在土中的冰，其范围从火星南极绵延到南纬60o，预估水 量可装满两个密歇根湖。
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4.1.1深空探测的发展
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海盗号(1975年，美)
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火星探路者(Mars Pathfinder， 1996年12月~1998年3月，美)
4.2.2 基于星光角距的自主天文导航方法
4.2.3 基于太阳、地球矢量方向的自主天文导航方法
4.2.4 月球探测器组合导航方法
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引言(04-08)
• 深空探测器的天文导航滤波方法与近地航天器的天文导航 滤波方法相似，都是在轨道动力学方程的基础上，利用测 量得到天文的观测信息，通过最优估计的方法得到深空探 测器的导航信息。
目前深空探测器的自主天文导航方法主要可分为两大类： ①基于轨道动力学方程的滤波方法；
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4.1.2天文导航对深空探测的重要性 自主天文导航方法分类
②纯天文的几何解析法。

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• 探测了土星之后，先 驱者11号便与先驱者 10号同于1989年飞离 太阳系。
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4.1.1深空探测的发展
2）．旅行者号行星和行星际探测器 • 美国1977年8月和9月分别发射了行
星和行星际探测器旅行者1号和旅行 者2号，旅行者号携带的仪器和能源 设备比先驱者号更先进。
姿方法； ②可以同时提供导航和姿态信息； ③仅须利用探测器姿态敏感部件星 敏感器和红外地平仪，而不需额外 增加其他硬件设备； ④不需任何先验知识，如探测器当 前的大致位置和姿态等。
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4.1.2天文导航对深空探测的重要性 自主天文导航方法分类