1、第五章天文導(dǎo)航方法天文導(dǎo)航基礎(chǔ)天文導(dǎo)航方法5.1天文導(dǎo)航基本原理5.2基于軌道動(dòng)力學(xué)方程的自主導(dǎo)航方法5.3純天文幾何解析的自主導(dǎo)航方法5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航5.5基于射電天文導(dǎo)航原理5.1天文導(dǎo)航原理 自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)的使用儀器有星體跟蹤器、天文羅盤和六分儀等。通?？梢圆捎昧謨x來(lái)測(cè)量天體的高度角；使用天文羅盤測(cè)量太陽(yáng)或星體方向來(lái)相對(duì)已知慣性參考系的瞄準(zhǔn)線方向進(jìn)行定位航向；星體跟蹤器可以從天空背景中搜索、識(shí)別和跟蹤星體，并測(cè)出跟蹤器瞄準(zhǔn)線相對(duì)于參考坐標(biāo)系的角度。 是利用星敏感器觀測(cè)導(dǎo)航星得到該星光在星敏感器測(cè)量坐標(biāo)系的方向，通過(guò)星敏感器安裝矩陣的轉(zhuǎn)換，可算得星光在航天器本體坐標(biāo)系中的

2、方向，再利用紅外地球敏感器和空間六分儀直接測(cè)得航天器垂線方向或航天器至地球邊緣的切線方向，得到地心矢量在航天器本體坐標(biāo)系中的方向，繼而得到相關(guān)的測(cè)量信息，根據(jù)衛(wèi)星、所觀測(cè)的導(dǎo)航星和地球之間的幾何關(guān)系，結(jié)合軌道動(dòng)力學(xué)和濾波技術(shù)即可估算出航天器的位置信息。5.1天文導(dǎo)航原理 由于天體在慣性空間中任意時(shí)刻的位置是可以確定的，因此通過(guò)航天器觀測(cè)得到的天體方位信息，就可以確定航天器在該時(shí)刻姿態(tài)信息。 但是要想空間定位還需要測(cè)量近天體的數(shù)據(jù)，這樣才有位置的幾何關(guān)系。5.1天文導(dǎo)航原理5.1.2直接敏感地平的天文導(dǎo)航方法 在直接敏感地平中，一般以星光角距，星光仰角為觀測(cè)量，星光角距指從衛(wèi)星上觀測(cè)到的導(dǎo)航恒星

3、星光的單位矢量方向與地心矢量之間的夾角。直接敏感地平的觀測(cè)模型 5.1.2直接敏感地平的天文導(dǎo)航方法 星光仰角是指探測(cè)器觀測(cè)到的恒星視線方向與近天體邊緣切線方向之間的夾角。 星光仰角示意圖 星光角距示意圖 星光仰角是指探測(cè)器觀測(cè)到的恒星視線方向與近天體邊緣切線方向之間的夾角。以日-衛(wèi)星-地球夾角和星光角距為觀測(cè)量。 觀測(cè)量示意圖5.1.3基于 “日-地-星”導(dǎo)航 通過(guò)觀測(cè)日-地-月信息，確定地心赤道慣性坐標(biāo)系下的航天器位置矢量。幾何關(guān)系及觀測(cè)量示意圖5.1.3基于 “日-地-月”導(dǎo)航幾何關(guān)系示意圖5.1.3基于 “日-地-月”導(dǎo)航通過(guò)星光折射間接敏感地平方法，是80年代初發(fā)展起來(lái)的一種航天飛行

4、器低成本自主定位方案。美國(guó)90年代初投入使用的MADAN導(dǎo)航系統(tǒng)（多任務(wù)姿態(tài)確定和自主導(dǎo)航系統(tǒng)）就使用了星光折射自主導(dǎo)航原理 。5.1.4基于星光折射的天文導(dǎo)航方法星光折射飛行器自主導(dǎo)航方案一個(gè)星敏感器對(duì)準(zhǔn)從不發(fā)生折射的恒星，一個(gè)星敏感器對(duì)準(zhǔn)穿越大氣層星光發(fā)生折射的恒星 。利用星光折射間接敏感器地平觀測(cè)示意圖5.1.4基于星光折射的天文導(dǎo)航方法 恒星星光穿越地球表面大氣時(shí)會(huì)發(fā)生折射，折射后的星光向內(nèi)彎曲，來(lái)自恒星的入射光線與星光穿越大氣折射后的光線形成的夾角R 稱為星光折射角。 恒星星光在大氣中的折射軌跡取決于大氣密度的分布。星光在大氣中的折射模型 5.1.4基于星光折射的天文導(dǎo)航方法星光折射

5、角與星光切向高度的關(guān)系曲線 5.1.4基于星光折射的天文導(dǎo)航方法星光折射間接敏感器地平幾何關(guān)系示意圖5.1.4基于星光折射的天文導(dǎo)航方法 大氣折射模型的一個(gè)重要參數(shù)是某一確定高度h0處的大氣密度，它直接影響模型的準(zhǔn)確程度。 緯度和季節(jié)，晝夜變化、行星波和重力波等都能造成大氣密度發(fā)生變化。大氣折射模型的誤差分析5.1.4基于星光折射的天文導(dǎo)航方法狀態(tài)方程及觀測(cè)方程星光折射觀測(cè)幾何示意圖 5.1.4基于星光折射的天文導(dǎo)航方法選星的限制條件 星光折射觀測(cè)參數(shù)的預(yù)測(cè)問(wèn)題可以描述為：給定航天器當(dāng)前的軌道根數(shù)，對(duì)于某顆給定的導(dǎo)航恒星，確定航天器觀測(cè)到星光折射角R時(shí)對(duì)應(yīng)的軌道位置和時(shí)刻以及恒星方向在偏航一滾

6、動(dòng)一俯仰坐標(biāo)系中的高度角和方位角，這樣便能調(diào)整航天器的姿態(tài)，使得在預(yù)定的時(shí)刻星敏感器的視場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)指定的導(dǎo)航恒星。5.1.4基于星光折射的天文導(dǎo)航方法選星的限制條件水平高度角的示意圖 5.1.4基于星光折射的天文導(dǎo)航方法選星的限制條件星光折射觀測(cè)位置示意圖 5.1.4基于星光折射的天文導(dǎo)航方法作業(yè)： 寫出基于EKF的低軌道衛(wèi)星（以星光角距作為觀測(cè)量的直接敏感地平，或者間接敏感地平）自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)方程，并進(jìn)行仿真。 仿真條件： 選擇地心赤道慣性坐標(biāo)系 軌道根數(shù)：半長(zhǎng)軸：7136.635km 軌道傾角：65度 偏心率：0度 升交點(diǎn)赤經(jīng)：30度 近心點(diǎn)角距：30度 星敏感器精度：3秒，紅外地平儀精度：

7、0.05度 仿真給出位置誤差和速度誤差曲線。5.1.5直接敏感地平的天文導(dǎo)航方法確定空間飛行器位置的兩根線一次觀測(cè)確定的位置錐5.3幾何解析的天文定位方法天文定位原理圖5.3幾何解析的天文定位方法幾何解析定位原理圖5.3幾何解析的天文定位方法 如果觀測(cè)到的恒星少于三顆，則僅利用兩顆行星和兩顆恒星也可以確定航天器的位置，原理如圖：相對(duì)慣性座標(biāo)系的夾角圓錐5.3幾何解析的天文定位方法航天器對(duì)近天體的幾何關(guān)系5.3幾何解析的天文定位方法純天文的導(dǎo)航原理示意圖5.3幾何解析的天文定位方法深空探測(cè)器天文導(dǎo)航的方法基于太陽(yáng)和行星的自主天文導(dǎo)航基于小行星或行星衛(wèi)星的自主導(dǎo)航基于X射線脈沖星的自主導(dǎo)航5.4深

8、空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航深空探測(cè)器天文導(dǎo)航的發(fā)展過(guò)程20世紀(jì)七八十年代太陽(yáng)系中各大行星所處的位置使得利用當(dāng)時(shí)有限的推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)系多顆行星進(jìn)行探測(cè)成為可能；20世紀(jì)70年代，為了滿足美國(guó)NASA深空探測(cè)的任務(wù)要求，JPL實(shí)驗(yàn)室最先研究了利用深空探測(cè)器上自身攜帶的量測(cè)設(shè)備，通過(guò)觀測(cè)天體進(jìn)行天文導(dǎo)航的方法。5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航水手9號(hào)拍攝的火衛(wèi)二圖像海盜號(hào)的天文導(dǎo)航5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航天文導(dǎo)航作為輔助導(dǎo)航手段水手9號(hào)的天文導(dǎo)航海盜號(hào)的天文導(dǎo)航5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航旅行者號(hào)的拍攝的海王星及其衛(wèi)星 5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航伽利略號(hào)拍攝的天文導(dǎo)航圖像 5.4深空探測(cè)器的自

9、主天文導(dǎo)航深空一號(hào)的自主天文導(dǎo)航與以前的天文導(dǎo)航對(duì)比5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航深空一號(hào)的自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其與其他系統(tǒng)的關(guān)系5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航深度撞擊任務(wù)的自主天文導(dǎo)航儀器5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航深空探測(cè)器天文導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì) 一類是與自主天文導(dǎo)航理論和方法相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)；一類是與導(dǎo)航系統(tǒng)硬件相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。天文導(dǎo)航理論 狀態(tài)方程的精確建模新型測(cè)量原理和相應(yīng)量測(cè)方程的建立先進(jìn)濾波方法及相應(yīng)的理論在天文導(dǎo)航中的應(yīng)用天文組合導(dǎo)航方法5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航天文導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)在硬件方面，隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、光電子技術(shù)以及MEMS（

10、微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的不斷飛躍，深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)正朝著微小型化、模塊化和集成化的方向快速發(fā)展。5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航天文導(dǎo)航儀慣性恒星羅盤美國(guó)最新研制的慣性恒星羅盤5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航深空探測(cè)自主天文導(dǎo)航原理和方法深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航方法大致可分為以下幾種：基于太陽(yáng)和行星的天文導(dǎo)航 ；基于恒星觀測(cè)信息的天文導(dǎo)航方法 ；基于小行星或行星衛(wèi)星的天文導(dǎo)航；基于脈沖星的天文導(dǎo)航 。5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測(cè)方程必須包含有描述探測(cè)器與相關(guān)天體關(guān)系的幾何量測(cè)值，根據(jù)選取的觀測(cè)量的不同，可以把觀測(cè)模型分為下面幾類：夾角測(cè)量 ；圖像信息測(cè)量；距離測(cè)量；視線信息測(cè)量

11、；徑向速度測(cè)量。5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航恒星仰角行星的視角觀測(cè)量及觀測(cè)方程5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航掩星觀測(cè)觀測(cè)量及觀測(cè)方程5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航一個(gè)近天體和一個(gè)遠(yuǎn)天體間的夾角夾角確定的位置面觀測(cè)量及觀測(cè)方程5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航兩個(gè)近天體間的夾角兩個(gè)近天體間的夾角確定位置面觀測(cè)量及觀測(cè)方程5.4深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航月球探測(cè)器的軌道一般可以分為三個(gè)階段： 地球附近的停泊階段 從地球到月球的地月轉(zhuǎn)移軌道段 環(huán)月軌道段5.4.4月球探測(cè)器的天文導(dǎo)航方法基于星光角距的自主天文導(dǎo)航方法天文導(dǎo)航觀測(cè)模型5.4.4月球探測(cè)器的天文導(dǎo)航方法基于太陽(yáng)、地球矢量的自主天文導(dǎo)航方法探

12、測(cè)器軌道及太陽(yáng)量測(cè)信息5.4.4月球探測(cè)器的天文導(dǎo)航方法探測(cè)器軌道及太陽(yáng)、地球量測(cè)信息月球探測(cè)器的天文導(dǎo)航方法基于太陽(yáng)、地球矢量的自主天文導(dǎo)航方法環(huán)繞月球的探測(cè)器的天文導(dǎo)航方法使用觀測(cè)量有： 恒星星光矢量方向和月心矢量方向間的星光角距； 月心方向矢量和月心距； 測(cè)量得到的星-日、星-月、星-地方向矢量。5.4.4月球探測(cè)器的天文導(dǎo)航方法環(huán)繞月球的探測(cè)器的天文導(dǎo)航方法天文導(dǎo)航的觀測(cè)模型5.4.4月球探測(cè)器的天文導(dǎo)航方法星-日、星-月、星-地之間的關(guān)系5.4.4月球探測(cè)器的天文導(dǎo)航方法 射電天文導(dǎo)航技術(shù)根基于天文導(dǎo)航系統(tǒng)，其原理和方法與天文導(dǎo)航系統(tǒng)相同。將射電天文學(xué)與天文導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，既充分運(yùn)用

13、了射電天文學(xué)理論、方法和技術(shù)，又充分發(fā)揮了星光天文定位、導(dǎo)航原理、方法和技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，是天文導(dǎo)航的又一發(fā)展方向。 射電天文導(dǎo)航技術(shù)是在對(duì)宇宙天體電磁波譜范圍內(nèi)的某些mm或cm波段的射電波內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，較傳統(tǒng)的可見光不同的是，射電波不受時(shí)域、天氣等因素的影響，基本解決了傳統(tǒng)星光天文導(dǎo)航系統(tǒng)受天候影響較大，不能全天候工作的問(wèn)題。 5.5射電天文導(dǎo)航射電天文導(dǎo)航技術(shù)是 基于射電天文導(dǎo)航方法工作的基本流程5.5射電天文導(dǎo)航1.根據(jù)系統(tǒng)提供的時(shí)間進(jìn)行當(dāng)前的導(dǎo)航星體預(yù)報(bào)。2.將天線對(duì)準(zhǔn)所要測(cè)量的天體區(qū)域。3.把射電天體(射電源)的信號(hào)從天體區(qū)域中檢測(cè)出來(lái)。4.將采集的射電天體信號(hào)處理并形成圖像，得到天體的射電形象。5.對(duì)所看到的天體的反射影像與水天線