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书名：深空探测天文导航原理与方法
定价：128.0
ISBN：9787030529978
作者：张伟
版次：1
出版时间：2017-09
在线试读：
第1章绪论
目前，国际上尚无对“深空”和“导航”的通用定义，美国、俄罗斯、欧空局和中国等国家或组织的航天机构都有各自的习惯用法。
1.1深空定义
深空是相对于近地空间（Near Earth Space， NES）而言的，是深空间（Deep Space， DS）的简称。
《中国大百科全书航空航天卷（第二版）》对“深空”的定义是“距地球等于或大于地月平均距离（约3.84×105km）的空间”，把“对月球和月球以远的天体或空间进行探测的无人航天器称为太空（空间）探测器”，空间探测器也可叫做深空探测器。
《空间科学词典》对深空的定义为“载人或不载人的飞行器围绕地球运动*远的极限轨道以外的空间区域”，把“脱离地球飞往其他天体的无人航天器”称为“深空探测器”。
美国航空航天局（NASA）将针对地月距离及以远的天体开展的探测活动称为深空探测。在空间探测发展规划和计划中，则更多地称之为“空间探测”。
国际电信联盟从限制无线电通信频率分配出发，制定《无线电规则》（1988年），将“深空”定义为与地球的距离大于或等于2×106km的空间，而月球到地球的距离是3.84×105km，因此，月球探测不能使用深空探测的频率。
本书所阐述及研究的深空是指大于或等于2×106km的太阳系尺度范围。
1.2 导航定义
导航、制导与控制（Guidance， Navigation and Control， GNC）是研究各类运动体位置、方向、轨迹的测量与控制方法的一门学科。导航、制导与控制三者密切相关，导航是制导与控制的前提。
导航的概念*早可以追溯到远古时期，人们利用恒星信息进行简单的定位，这就是*早的天文导航方法，随着后来指南针、罗盘等装置的发明，导航技术也在不断发展进步。
《空间科学词典》将导航定义为实时地测量并确定导航系统载体在运动过程中的位置和速度。
从导航的应用领域划分，导航可分为地面导航、海洋导航、航空导航和航天器导航四大类。本书主要针对航天器导航进行讨论。
本书将导航定义为通过实时测量并确定航天器在某一坐标系下的位置和速度的行为。
航天器导航按照导航信息源种类，可分为无线电导航、惯性导航、卫星导航、天文导航等。
无线电导航（Radio Navigation System， RNS）是指利用航天器上的导航设备接收若干地面站的无线电信号，根据电磁波的传播特性，测量出其传播的时间、相位、幅度和频率后，解算出航天器相对于地面站的方位、距离、距离差等几何参数，进而确定航天器与地面站之间的相对位置关系，实现对航天器的定位和定速，如图1.1所示。
图1.1 无线电导航
无线电导航方法充分利用地面资源，可满足近地空间和月球空间探测任务的导航需求。但无线电导航的精度和实时性随航天器与地面站之间距离的增加而降低，且存在因通信盲区导致的导航数据不连续等问题，无法完全满足深空探测某些特殊飞行阶段（如制动捕获段、小行星下降附着段等）的导航需求。
在地面站测角精度一定的前提下，航天器的横向位置（与视线方向垂直）测量误差将随距离呈线性增加，如图1.2所示。
图1.2 无线电在不同距离下的横向测量误差
同时，无线电信号的双向时延也将随距离增加，如表1.1所示。
惯性导航（Inertial Navigation System， INS）是指利用惯性测量装置（如加速度计和陀螺仪）测量航天器相对于惯性空间的角加速度和线加速度，再通过计算机积分解算，获得航天器相对某一基准的导航参数，见图1.3。
表1.1 不同距离下的无线电信号双向时延
图1.3 惯性导航
惯性导航方法的主要优点是自主性好、抗干扰能力强、隐蔽性好以及短时间导航精度高；主要缺点是导航误差会随时间累积增大。为提高其绝对精度，需要增加其他测量信息作为辅助。随着技术的发展，目前已经发展出基于挠性陀螺仪、光纤陀螺仪、激光陀螺仪以及冷原子干涉仪陀螺仪等惯性导航系统。
卫星导航（Satellite Navigation System， SNS）是指利用导航卫星对航天器进行导航定位的方法，如图1.4所示。卫星导航把太空中的人造卫星作为“地面站”的无线电导航系统。世界上已有的卫星导航系统有美国的全球定位系统 （Global Positioning System， GPS）、俄罗斯的全球导航卫星系统 （Global Navigation Satellite System， GLONASS）、欧洲的伽利略卫星导航系统 （Galileo Satellite Navigation System） 以及中国的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System， BDS）。
图1.4 卫星导航
卫星导航系统是一种投资大、建设周期长，涉及领域广、复杂度高的信息系统，在军事和民用方面均具有重要意义。
天文导航（Celestial Navigation System， CNS）是指通过实时测量空间中自然天体的特征，并确定航天器在某一坐标系下的位置和速度的行为（图1.5）。天文导航将太阳、小行星、行星、卫星等自然天体作为主要观测目标，以天体视线方向、天体间夹角、天体光谱、X射线脉冲信号等作为观测量。
图1.5 天文导航
天文导航不依赖除自身所携带设备以外的其他人造设施的支持，完全由航天器自主确定其位置和速度。因此，天文导航有时也称为天文自主导航。
天文导航充分利用了空间中的自然天体信号，一方面可以克服地面无线电导航在实时性、运行成本和资源上的限制，增强深空探测器的自主生存能力；另一方面可解决导航的连续性问题，提高深空探测器导航的精度。因此，天文导航对深空探测任务具有重要意义。
1.3 深空间环境特点
相对于近地球空间，深空间有特殊的环境特点。
1. 复杂引力环境
太阳系是一个复杂的动力学系统。根据牛顿万有引力定律，任何质量体之间都存在力的作用。若将太阳系天体与航天器均视为质点，即形成一个N体系统，数学上称为N体问题。N体问题的一般数学描述如下。
设在惯性坐标系中存在N个质点，质量分别为mi （1≤i≤N），位置矢量分别为ri。任何一个质点均受到其他N－1个质点的万有引力作用，则N个质点的动力学方程可表示为
（1.1）
式中，G为万有引力常数。在初值已知的情况下，通过求解式（1.1）的微分方程，可以得到任意质点的运动轨迹。当N＝2时为二体问题，已完全解决。但当N≥3时，式（1.1）目前仍无法求出解析解，只能采用数值方法进行研究。当航天器的质量可以忽略（即航天器作用于太阳系天体的万有引力为零）时，则上述问题简化为“限制性n＋1体问题”。当n＝2时，即为轨道力学中著名的“限制性三体问题”（Restricted Three Body Problem）。
除主要引力源外，其他力源（如非球型引力、大气阻力、太阳光压等）均可视为摄动源。近地航天器的主要引力源为地球，因此其轨道运动可视为“受摄二体问题”；对于深空探测器，近地段主要引力源为地球，巡航段主要引力源为太阳，环绕段主要引力源为目标天体。但在上述三个飞行阶段的过渡过程中（圆锥曲线拼接处），航天器的主引力天体将变为“太阳＋地球”或“太阳＋行星”，合理的力学模型应为“受摄限制性三体问题”。深空探测器飞行全过程中力学环境如图1.6所示。
图1.6 深空探测器轨道力学环境
2. 深空“凌”现象
“凌”为逼近、干扰、遮挡之意。在卫星通信领域，日凌是指太阳、通信卫星与地面接收站处于一条直线上，太阳强辐射对卫星下行信号造成影响的现象。天文上凌日是指太阳被暗星体遮挡的现象，如“水星凌日”、“金星凌日”等。
通常将深空探测器、太阳、地球处于一条直线（太阳位于器地之间）的情形称为“日凌”；将深空探测器、地球、太阳处于一条直线（地球位于器日之间）的情形称为“凌日”，如图1.7所示。日凌直接影响航天器对地的上下行通信，而凌日对下行影响较为明显。
图1.7 深空“凌”现象： 日凌（a）与凌日（b）
定价：128.0
ISBN：9787030529978
作者：张伟
版次：1
出版时间：2017-09
在线试读：
第1章绪论
目前，国际上尚无对“深空”和“导航”的通用定义，美国、俄罗斯、欧空局和中国等国家或组织的航天机构都有各自的习惯用法。
1.1深空定义
深空是相对于近地空间（Near Earth Space， NES）而言的，是深空间（Deep Space， DS）的简称。
《中国大百科全书航空航天卷（第二版）》对“深空”的定义是“距地球等于或大于地月平均距离（约3.84×105km）的空间”，把“对月球和月球以远的天体或空间进行探测的无人航天器称为太空（空间）探测器”，空间探测器也可叫做深空探测器。
《空间科学词典》对深空的定义为“载人或不载人的飞行器围绕地球运动*远的极限轨道以外的空间区域”，把“脱离地球飞往其他天体的无人航天器”称为“深空探测器”。
美国航空航天局（NASA）将针对地月距离及以远的天体开展的探测活动称为深空探测。在空间探测发展规划和计划中，则更多地称之为“空间探测”。
国际电信联盟从限制无线电通信频率分配出发，制定《无线电规则》（1988年），将“深空”定义为与地球的距离大于或等于2×106km的空间，而月球到地球的距离是3.84×105km，因此，月球探测不能使用深空探测的频率。
本书所阐述及研究的深空是指大于或等于2×106km的太阳系尺度范围。
1.2 导航定义
导航、制导与控制（Guidance， Navigation and Control， GNC）是研究各类运动体位置、方向、轨迹的测量与控制方法的一门学科。导航、制导与控制三者密切相关，导航是制导与控制的前提。
导航的概念*早可以追溯到远古时期，人们利用恒星信息进行简单的定位，这就是*早的天文导航方法，随着后来指南针、罗盘等装置的发明，导航技术也在不断发展进步。
《空间科学词典》将导航定义为实时地测量并确定导航系统载体在运动过程中的位置和速度。
从导航的应用领域划分，导航可分为地面导航、海洋导航、航空导航和航天器导航四大类。本书主要针对航天器导航进行讨论。
本书将导航定义为通过实时测量并确定航天器在某一坐标系下的位置和速度的行为。
航天器导航按照导航信息源种类，可分为无线电导航、惯性导航、卫星导航、天文导航等。
无线电导航（Radio Navigation System， RNS）是指利用航天器上的导航设备接收若干地面站的无线电信号，根据电磁波的传播特性，测量出其传播的时间、相位、幅度和频率后，解算出航天器相对于地面站的方位、距离、距离差等几何参数，进而确定航天器与地面站之间的相对位置关系，实现对航天器的定位和定速，如图1.1所示。
图1.1 无线电导航
无线电导航方法充分利用地面资源，可满足近地空间和月球空间探测任务的导航需求。但无线电导航的精度和实时性随航天器与地面站之间距离的增加而降低，且存在因通信盲区导致的导航数据不连续等问题，无法完全满足深空探测某些特殊飞行阶段（如制动捕获段、小行星下降附着段等）的导航需求。
在地面站测角精度一定的前提下，航天器的横向位置（与视线方向垂直）测量误差将随距离呈线性增加，如图1.2所示。
图1.2 无线电在不同距离下的横向测量误差
同时，无线电信号的双向时延也将随距离增加，如表1.1所示。
惯性导航（Inertial Navigation System， INS）是指利用惯性测量装置（如加速度计和陀螺仪）测量航天器相对于惯性空间的角加速度和线加速度，再通过计算机积分解算，获得航天器相对某一基准的导航参数，见图1.3。
表1.1 不同距离下的无线电信号双向时延
图1.3 惯性导航
惯性导航方法的主要优点是自主性好、抗干扰能力强、隐蔽性好以及短时间导航精度高；主要缺点是导航误差会随时间累积增大。为提高其绝对精度，需要增加其他测量信息作为辅助。随着技术的发展，目前已经发展出基于挠性陀螺仪、光纤陀螺仪、激光陀螺仪以及冷原子干涉仪陀螺仪等惯性导航系统。
卫星导航（Satellite Navigation System， SNS）是指利用导航卫星对航天器进行导航定位的方法，如图1.4所示。卫星导航把太空中的人造卫星作为“地面站”的无线电导航系统。世界上已有的卫星导航系统有美国的全球定位系统 （Global Positioning System， GPS）、俄罗斯的全球导航卫星系统 （Global Navigation Satellite System， GLONASS）、欧洲的伽利略卫星导航系统 （Galileo Satellite Navigation System） 以及中国的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System， BDS）。
图1.4 卫星导航
卫星导航系统是一种投资大、建设周期长，涉及领域广、复杂度高的信息系统，在军事和民用方面均具有重要意义。
天文导航（Celestial Navigation System， CNS）是指通过实时测量空间中自然天体的特征，并确定航天器在某一坐标系下的位置和速度的行为（图1.5）。天文导航将太阳、小行星、行星、卫星等自然天体作为主要观测目标，以天体视线方向、天体间夹角、天体光谱、X射线脉冲信号等作为观测量。
图1.5 天文导航
天文导航不依赖除自身所携带设备以外的其他人造设施的支持，完全由航天器自主确定其位置和速度。因此，天文导航有时也称为天文自主导航。
天文导航充分利用了空间中的自然天体信号，一方面可以克服地面无线电导航在实时性、运行成本和资源上的限制，增强深空探测器的自主生存能力；另一方面可解决导航的连续性问题，提高深空探测器导航的精度。因此，天文导航对深空探测任务具有重要意义。
1.3 深空间环境特点
相对于近地球空间，深空间有特殊的环境特点。
1. 复杂引力环境
太阳系是一个复杂的动力学系统。根据牛顿万有引力定律，任何质量体之间都存在力的作用。若将太阳系天体与航天器均视为质点，即形成一个N体系统，数学上称为N体问题。N体问题的一般数学描述如下。
设在惯性坐标系中存在N个质点，质量分别为mi （1≤i≤N），位置矢量分别为ri。任何一个质点均受到其他N－1个质点的万有引力作用，则N个质点的动力学方程可表示为
（1.1）
式中，G为万有引力常数。在初值已知的情况下，通过求解式（1.1）的微分方程，可以得到任意质点的运动轨迹。当N＝2时为二体问题，已完全解决。但当N≥3时，式（1.1）目前仍无法求出解析解，只能采用数值方法进行研究。当航天器的质量可以忽略（即航天器作用于太阳系天体的万有引力为零）时，则上述问题简化为“限制性n＋1体问题”。当n＝2时，即为轨道力学中著名的“限制性三体问题”（Restricted Three Body Problem）。
除主要引力源外，其他力源（如非球型引力、大气阻力、太阳光压等）均可视为摄动源。近地航天器的主要引力源为地球，因此其轨道运动可视为“受摄二体问题”；对于深空探测器，近地段主要引力源为地球，巡航段主要引力源为太阳，环绕段主要引力源为目标天体。但在上述三个飞行阶段的过渡过程中（圆锥曲线拼接处），航天器的主引力天体将变为“太阳＋地球”或“太阳＋行星”，合理的力学模型应为“受摄限制性三体问题”。深空探测器飞行全过程中力学环境如图1.6所示。
图1.6 深空探测器轨道力学环境
2. 深空“凌”现象
“凌”为逼近、干扰、遮挡之意。在卫星通信领域，日凌是指太阳、通信卫星与地面接收站处于一条直线上，太阳强辐射对卫星下行信号造成影响的现象。天文上凌日是指太阳被暗星体遮挡的现象，如“水星凌日”、“金星凌日”等。
通常将深空探测器、太阳、地球处于一条直线（太阳位于器地之间）的情形称为“日凌”；将深空探测器、地球、太阳处于一条直线（地球位于器日之间）的情形称为“凌日”，如图1.7所示。日凌直接影响航天器对地的上下行通信，而凌日对下行影响较为明显。
图1.7 深空“凌”现象： 日凌（a）与凌日（b）