2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——太空探測(cè)器的測(cè)距技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在括號(hào)內(nèi)。）1.太空探測(cè)器使用雷達(dá)測(cè)距時(shí)，主要利用的是（）。A.電磁波的干涉現(xiàn)象B.電磁波的反射特性C.電磁波的衍射現(xiàn)象D.電磁波的偏振特性2.激光測(cè)距（LiDAR）相比雷達(dá)測(cè)距，其主要優(yōu)勢(shì)通常體現(xiàn)在（）。A.更遠(yuǎn)的探測(cè)距離B.更低的系統(tǒng)復(fù)雜度C.更高的測(cè)量精度D.更強(qiáng)的穿透云層能力3.在利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)速時(shí)，如果探測(cè)器與目標(biāo)相對(duì)遠(yuǎn)離，接收到的信號(hào)頻率將（）。A.升高B.降低C.不變D.隨機(jī)變化4.以下哪種測(cè)距技術(shù)通常利用射電信號(hào)，并且能達(dá)到極高的測(cè)距和測(cè)速精度？（）A.光學(xué)三角測(cè)量法B.脈沖雷達(dá)測(cè)距C.脈沖星測(cè)距（PulsarDistanceMeasurement）D.全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)距5.大氣對(duì)測(cè)距精度的主要影響之一是（）。A.信號(hào)傳播速度的變化B.天線方向性的改變C.信號(hào)接收功率的隨機(jī)衰落D.探測(cè)器姿態(tài)的擾動(dòng)6.太空探測(cè)中，為了修正大氣折射對(duì)雷達(dá)測(cè)距精度的影響，通常需要精確知道（）。A.探測(cè)器與目標(biāo)的視線角速率B.大氣溫度、壓力和濕度剖面C.目標(biāo)表面的反射率D.探測(cè)器自身的軌道根數(shù)7.基于信號(hào)往返時(shí)間計(jì)算距離的測(cè)距方法，其測(cè)量精度主要受到（）的限制。A.信號(hào)頻率的穩(wěn)定性B.信號(hào)傳輸帶寬C.信號(hào)傳播速度的精確值D.天線孔徑的大小8.在深空探測(cè)任務(wù)中，確定探測(cè)器高精度相對(duì)位置和速度，常用的一種測(cè)距技術(shù)組合是（）。A.雷達(dá)測(cè)距+慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）B.激光測(cè)距+星敏感器C.脈沖星測(cè)距+VLBI（甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量）D.GPS+多普勒計(jì)速儀（DopplerVelometer）9.無(wú)線電信號(hào)測(cè)距（如VLBI）中，使用多個(gè)地面天線進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)的主要目的是（）。A.增大發(fā)射功率B.提高測(cè)距和測(cè)速的精度C.擴(kuò)大探測(cè)器的視場(chǎng)角D.減少信號(hào)傳播時(shí)間10.測(cè)量探測(cè)器與行星表面某固定點(diǎn)之間距離的技術(shù)，與測(cè)量探測(cè)器與行星中心之間距離的技術(shù)，其主要區(qū)別在于（）。A.前者需要考慮行星自轉(zhuǎn)，后者不需要B.前者通常精度更高，后者通常精度更低C.前者只適用于圓形行星，后者適用于不規(guī)則行星D.兩者原理完全不同，沒有可比性二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上。）1.雷達(dá)測(cè)距的基本原理是測(cè)量電磁波從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的__________時(shí)間，并根據(jù)已知的電磁波在真空中的__________計(jì)算出距離。2.激光測(cè)距技術(shù)因其光束窄、亮度高、方向性好，在行星科學(xué)中常用于對(duì)月球、火星等天體進(jìn)行__________測(cè)量。3.多普勒測(cè)速的原理是基于多普勒效應(yīng)，通過測(cè)量接收到的反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的__________變化來(lái)計(jì)算探測(cè)器與目標(biāo)的相對(duì)速度。4.為了提高測(cè)距精度，消除或減小系統(tǒng)誤差，通常需要對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行__________處理，分析并修正各種誤差來(lái)源的影響。5.在行星探測(cè)中，除了主動(dòng)測(cè)距（如雷達(dá)、激光測(cè)距），還存在利用探測(cè)器接收目標(biāo)自然輻射信號(hào)進(jìn)行測(cè)距的方法，例如通過分析目標(biāo)__________的相位和到達(dá)時(shí)間進(jìn)行測(cè)距。6.影響雷達(dá)測(cè)距精度的因素很多，除了信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)量精度外，還包括__________穩(wěn)定性、天線相位中心穩(wěn)定性以及大氣__________等。7.利用脈沖星作為空間中的天然“時(shí)鐘”進(jìn)行測(cè)距和測(cè)速的技術(shù)，稱為__________。8.在進(jìn)行高精度測(cè)距時(shí)，除了考慮信號(hào)傳播時(shí)間，還需要考慮信號(hào)在介質(zhì)中傳播速度的變化，這通常與介質(zhì)的__________有關(guān)。9.在軌道動(dòng)力學(xué)中，測(cè)距數(shù)據(jù)是確定探測(cè)器__________的關(guān)鍵信息之一，通過處理多普勒測(cè)速數(shù)據(jù)也可以確定相對(duì)速度。10.不同的太空探測(cè)任務(wù)對(duì)測(cè)距技術(shù)的選擇有不同的要求，例如深空探測(cè)通常要求高測(cè)距范圍和高_(dá)_________，而對(duì)地觀測(cè)則可能更注重測(cè)距的實(shí)時(shí)性和相對(duì)測(cè)距精度。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。）1.簡(jiǎn)述雷達(dá)測(cè)距的基本方程，并說明其中各主要參數(shù)的物理意義。2.列舉至少三種太空探測(cè)器測(cè)距技術(shù)的主要誤差來(lái)源，并簡(jiǎn)述其影響。3.相比于地面激光測(cè)距站對(duì)地月系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)距，空間激光測(cè)距（如從空間探測(cè)器對(duì)月球進(jìn)行測(cè)距）有哪些潛在的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)？4.多普勒測(cè)速原理是什么？它在太空探測(cè)任務(wù)中有哪些主要應(yīng)用？四、論述題（10分。）結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景，論述選擇合適的太空探測(cè)器測(cè)距技術(shù)時(shí)需要考慮哪些關(guān)鍵因素，并分析不同技術(shù)在精度、成本、環(huán)境適應(yīng)性等方面的特點(diǎn)。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.C5.A6.B7.C8.C9.B10.A二、填空題1.往返，速度2.高精度3.頻率（或波長(zhǎng)）4.校正（或修正）5.信號(hào)（或輻射信號(hào)）6.信號(hào)頻率（或載波相位），折射7.脈沖星測(cè)距（或脈沖星定標(biāo)）8.折射率9.軌道（或軌道根數(shù)）10.精度（或分辨率）三、簡(jiǎn)答題1.解析：雷達(dá)測(cè)距的基本方程為R=(c*t)/2，其中R是探測(cè)器與目標(biāo)之間的距離，c是電磁波在真空中的傳播速度（約3x10^8m/s），t是電磁波從發(fā)射到接收的往返時(shí)間。此方程表明距離正比于傳播時(shí)間。各參數(shù)物理意義：R為距離；c為光速常數(shù)；t為信號(hào)往返時(shí)間；(c*t)/2為信號(hào)單程傳播距離。2.解析：主要誤差來(lái)源包括：①信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)量誤差（由計(jì)時(shí)器精度、信號(hào)延遲等引起）；②信號(hào)頻率不穩(wěn)定（導(dǎo)致測(cè)距和測(cè)速精度下降）；③大氣折射（特別是電離層和對(duì)流層延遲，影響顯著）；④天線相位中心不穩(wěn)定或漂移；⑤目標(biāo)表面不規(guī)則或后向散射特性變化（導(dǎo)致反射信號(hào)微弱或失真）；⑥系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和量化誤差。3.解析：優(yōu)勢(shì)：①克服了地球大氣層（尤其是電離層）對(duì)高頻激光信號(hào)傳播的影響，可以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更精確的測(cè)距；②減少了地球自轉(zhuǎn)對(duì)地月距離測(cè)量引入的誤差；③可以從更近的距離進(jìn)行測(cè)量，提高精度潛力；④不受地球惡劣天氣影響。挑戰(zhàn)：①空間激光測(cè)距系統(tǒng)的發(fā)射和接收裝置非常復(fù)雜、成本高昂；②需要高穩(wěn)定性的激光器和探測(cè)器；③在深空探測(cè)中，需要克服極其遙遠(yuǎn)的距離帶來(lái)的信號(hào)衰減和接收困難；④探測(cè)器平臺(tái)的穩(wěn)定指向和振動(dòng)控制要求極高。4.解析：多普勒測(cè)速原理：當(dāng)發(fā)射源和接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化，這種變化量與相對(duì)速度成正比。在太空探測(cè)中，探測(cè)器向目標(biāo)發(fā)射已知頻率的無(wú)線電信號(hào)，目標(biāo)（或探測(cè)器自身反射）將信號(hào)反射回來(lái)，探測(cè)器接收反射信號(hào)。由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收到的反射信號(hào)頻率會(huì)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)頻率產(chǎn)生偏移（多普勒頻移）。通過精確測(cè)量這個(gè)頻移量Δf，并根據(jù)公式v≈c*Δf/c（其中v是相對(duì)速度，c是光速）即可計(jì)算出探測(cè)器與目標(biāo)的相對(duì)速度。主要應(yīng)用：①精確確定探測(cè)器相對(duì)于目標(biāo)（如行星、衛(wèi)星、其他航天器）的相對(duì)速度，用于軌道控制、交會(huì)對(duì)接等；②通過長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)速，結(jié)合測(cè)距數(shù)據(jù)，精確確定探測(cè)器的軌道根數(shù)；③作為自主導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分。四、論述題解析：選擇合適的太空探測(cè)器測(cè)距技術(shù)需綜合考慮以下關(guān)鍵因素：1.任務(wù)精度要求：這是最重要的因素。高精度任務(wù)（如深空探測(cè)、軌道確定）通常需要激光測(cè)距（LiDAR）、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）或高穩(wěn)定性的脈沖星測(cè)距。中等精度任務(wù)可能采用雷達(dá)測(cè)距。對(duì)地觀測(cè)或近距離探測(cè)可能使用GPS或較低精度的雷達(dá)/光學(xué)系統(tǒng)。2.探測(cè)距離：測(cè)距技術(shù)的有效作用距離是關(guān)鍵考量。雷達(dá)和激光測(cè)距可覆蓋從近地到深空的廣泛距離，但精度隨距離增加而下降。VLBI主要用于深空。GPS主要用于近地軌道。3.環(huán)境適應(yīng)性：需要考慮探測(cè)目標(biāo)所處的空間環(huán)境（如大氣狀況、電磁干擾、目標(biāo)表面特性）。例如，激光測(cè)距受大氣影響較大，但在深空或真空環(huán)境則非常有效。雷達(dá)測(cè)距受電離層影響顯著。4.成本與復(fù)雜性：不同技術(shù)的系統(tǒng)成本、研制難度、操作維護(hù)復(fù)雜度差異巨大。GPS系統(tǒng)相對(duì)成熟、成本較低；而VLBI和空間激光測(cè)距系統(tǒng)則非常昂貴和復(fù)雜。5.實(shí)時(shí)性要求：任務(wù)是否需要實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)的測(cè)距數(shù)據(jù)。GPS提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航信息。雷達(dá)測(cè)距可以較快地提供數(shù)據(jù)，但激光測(cè)距可能需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間以獲得高精度結(jié)果。6.可用基礎(chǔ)設(shè)施：某些技術(shù)（如GPS）依賴地面和空間基礎(chǔ)設(shè)施。VLBI需要全球分布的多個(gè)天線。自主測(cè)距技術(shù)（如脈沖星測(cè)距）則不依賴外部設(shè)施。不同技術(shù)的特點(diǎn)分析：*雷達(dá)測(cè)距：技術(shù)成熟，系統(tǒng)相對(duì)較簡(jiǎn)單，可全天候工作，可同時(shí)測(cè)距和測(cè)速，應(yīng)用廣泛。但精度相對(duì)有限，受大氣影響較大。*激光測(cè)距（LiDAR）：精度極高，不受電離層影響，在真空環(huán)境性能優(yōu)異。但系統(tǒng)復(fù)雜、成本高，易受云霧等天氣影響（地面應(yīng)用），空間應(yīng)用需克服距離衰