2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——太空探測器的衛(wèi)星追蹤考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項字母填入括號內）1.在太空探測器的衛(wèi)星追蹤中，利用無線電信號傳播時間來測量探測器與追蹤站之間距離的技術被稱為（）。A.多普勒測速B.角度測量C.脈沖測距D.軌道要素計算2.多普勒頻移效應主要用于測量探測器相對于追蹤站的（）。A.角位置B.徑向速度C.切向速度D.總速度矢量3.以下哪個機構通常負責執(zhí)行對深空探測器的衛(wèi)星追蹤任務？A.國家航空航天局（NASA）B.歐洲空間局（ESA）C.國際電信聯(lián)盟（ITU）D.世界氣象組織（WMO）4.描述探測器在慣性空間中運動的軌道參數(shù)，通常指的是（）。A.大地坐標系下的位置和速度B.天球坐標系下的赤經和赤緯C.開普勒軌道要素D.地面測控站的角度指示5.在行星探測任務中，進行軌道機動以改變探測器軌道的主要目的是（）。A.提高追蹤信號的強度B.精確調整探測器的姿態(tài)指向C.進入目標天體軌道或飛越目標天體D.增加探測器與地球之間的距離6.以下哪種現(xiàn)象是由于探測器與追蹤站之間相對運動導致接收到的無線電信號頻率發(fā)生變化而產生的？A.信號衰減B.信號延遲C.多普勒頻移D.信號調制7.深空網絡（DSN）在全球范圍內分布多個測控站，其主要優(yōu)勢在于（）。A.提高測距精度B.增加測控站天線尺寸C.實現(xiàn)對深空探測器的連續(xù)可見和跟蹤D.降低通信數(shù)據傳輸速率8.衛(wèi)星導航系統(tǒng)（如GPS）在深空探測任務中的應用主要是為了（）。A.提供高精度的絕對定位和測速信息B.為主從測控鏈路提供同步信號C.控制探測器姿態(tài)的穩(wěn)定D.傳輸科學探測數(shù)據9.探測器在飛越遙遠行星時，其相對行星的角速度通常較小，這對衛(wèi)星追蹤帶來的主要挑戰(zhàn)是（）。A.跟蹤信號丟失風險增加B.測量絕對距離變得非常困難C.多普勒頻移量非常小，難以精確測量D.需要極高功率的發(fā)射設備10.利用已知位置的恒星作為參考點來測量探測器角位置的技術，屬于（）。A.無線電測距技術B.慣性導航技術C.天體測量技術D.衛(wèi)星導航技術二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線處）1.衛(wèi)星追蹤的主要目的是確定探測器的__________和__________。2.根據測距數(shù)據和測速數(shù)據，可以解算出探測器在特定歷元的__________和__________。3.開普勒軌道要素中的__________和__________決定了軌道在空間中的方位。4.衛(wèi)星追蹤中使用的無線電信號頻率通常在__________和__________范圍內。5.由于距離遙遠，深空探測器發(fā)回的信號會經歷顯著的__________和__________。6.衛(wèi)星追蹤數(shù)據是支持探測器進行__________規(guī)劃和評估__________效果的關鍵依據。7.為了克服深空探測中的信號衰減問題，通常需要使用__________天線進行接收。8.在進行衛(wèi)星追蹤時，需要考慮地球自轉對測控站視線方向的影響，這通常通過__________糾正。9.探測器相對于中心天體的運動軌跡，在忽略其他天體引力時，可以用__________來近似描述。10.衛(wèi)星追蹤不僅需要精確測量探測器的位置，還需要精確測量其__________信息。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡潔明了地回答下列問題）1.簡述測距和測速兩種基本追蹤觀測分別提供了關于探測器運動的哪些信息。2.解釋什么是軌道要素，并列舉至少三個對描述探測器軌道至關重要的軌道要素。3.深空網絡（DSN）在全球范圍內設置多個測控站，并利用多個站之間的數(shù)據交叉定位，這樣做的優(yōu)勢是什么？4.在行星探測任務中，與近地軌道衛(wèi)星相比，衛(wèi)星追蹤面臨的主要挑戰(zhàn)有哪些？四、計算題（每題10分，共30分。請列出必要的公式、步驟和計算結果）1.假設地面測控站與探測器的距離為3.84×10^8米，探測器的徑向速度為5.00×10^3米/秒。已知無線電信號的傳播速度為光速（c=3.00×10^8米/秒）。請計算探測器相對于測控站的視向距離變化率（即徑向速度）是多少千米/秒？請簡要說明計算依據。2.探測器繞某行星做近似圓形軌道飛行，軌道半徑為1.50×10^7米，飛行周期為12.0小時。請估算探測器的平均軌道速度是多少千米/秒？假設該行星自轉周期為10.0小時，請定性說明在追蹤過程中，多普勒頻移信號的幅度會如何隨時間變化（假設探測器在赤道平面附近運行）？3.某次任務需要探測器進行一次軌道機動，變軌前后速度變化量（Δv）為300米/秒。假設軌道機動前探測器距離地球1.50億公里，軌道機動后距離變?yōu)?.00億公里。請粗略估算這次軌道機動大約消耗了多少能量（可以簡化為引力勢能變化的比較，不考慮動能變化）？地球質量約為5.97×10^24千克，引力常數(shù)G約為6.67×10^-11N·(m/kg)^2。提示：引力勢能U=-GMm/r。五、論述題（15分。請圍繞下列問題展開論述）結合行星科學探測任務的特點，論述衛(wèi)星追蹤系統(tǒng)在整個任務生命期中扮演的角色及其重要性。請從任務規(guī)劃、執(zhí)行控制、數(shù)據獲取等多個方面進行說明。試卷答案一、選擇題1.C解析思路：脈沖測距利用發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時間延遲來精確計算距離。2.B解析思路：多普勒頻移效應直接與相對徑向速度相關，速度越大，頻移越明顯。3.A解析思路：NASA的深空網絡（DSN）是執(zhí)行深空探測器測控和追蹤任務的核心機構。4.C解析思路：開普勒軌道要素是描述天體在慣性參考系中橢圓軌道形狀和空間方位的標準參數(shù)。5.C解析思路：改變軌道通常是為了實現(xiàn)特定的空間目標，如進入目標天體軌道或完成飛越任務。6.C解析思路：多普勒頻移是因接收者和發(fā)射者相對運動導致接收到的波頻發(fā)生變化的現(xiàn)象。7.C解析思路：全球分布的測控站可以確保在任何時刻都能對探測器進行觀測和跟蹤，克服地球自轉障礙。8.A解析思路：GNSS可以提供高精度的絕對位置和速度信息，輔助或補充傳統(tǒng)測控手段。9.C解析思路：飛越時相對角速度小，意味著在相同觀測時間內，探測器在天球背景上的角位移小，導致多普勒頻移量小，測量難度增加。10.C解析思路：利用已知位置的天體進行角度測量是傳統(tǒng)天體測量定位的基本方法。二、填空題1.位置，速度解析思路：衛(wèi)星追蹤的核心目標是獲取探測器的空間坐標和時間信息，即位置和速度。2.狀態(tài)矢量，軌道要素解析思路：通過聯(lián)合解算測距和測速數(shù)據，可以得到探測器在某一時刻的精確狀態(tài)（位置和速度）或描述其運動的軌道參數(shù)。3.傾角，升交點赤經解析思路：這兩個要素共同確定了軌道平面在空間中的指向。4.VHF/UHF，SHF解析思路：深空探測中常用的測控頻段大致分布在甚高頻/超高頻和特高頻范圍。5.信號衰減，噪聲干擾解析思路：遠距離傳輸導致信號能量減弱，且更容易受到背景噪聲的影響。6.軌道機動，軌道確定解析思路：追蹤數(shù)據是計算軌道位置和速度的基礎，也是規(guī)劃變軌和評估變軌效果的前提。7.大型，射電解析思路：為了接收來自深空的微弱信號，需要使用孔徑較大的天線，通常是射電天線。8.地球自轉角修正解析思路：為了得到探測器在慣性空間的真位置，需要修正由于地球自轉導致的測控站視線方向的變化。9.二體運動模型，開普勒軌道解析思路：在忽略其他引力影響時，探測器與中心天體的運動可近似視為二體問題，其軌跡遵循開普勒定律。10.姿態(tài)解析思路：除了位置，探測器的指向（姿態(tài)）對于科學儀器指向和通信鏈路建立同樣重要，也需要精確測量。三、簡答題1.解析思路：測距提供的是探測器與測控站之間連線的長度信息，即探測器的距離；測速提供的是探測器沿著測控站視線方向（徑向）的速度大小和方向信息。2.解析思路：軌道要素是描述天體軌道形狀和空間方位的一系列參數(shù)。關鍵要素包括：半長軸（決定軌道大?。?、偏心率（決定軌道形狀是橢圓還是拋物線等）、傾角（決定軌道平面與參考平面夾角）、升交點赤經（決定軌道平面在參考平面上的方位）、近地點幅角（決定軌道在平面內的方位）。選擇其中三個即可，如半長軸、偏心率、傾角。3.解析思路：多站交叉定位利用不同站的數(shù)據可以更精確地確定探測器的位置，減少單站觀測帶來的誤差累積；可以實現(xiàn)更長時間的連續(xù)跟蹤，減少因地球自轉導致的跟蹤丟失；可以通過多普勒數(shù)據交叉定速，提高速度測量的精度。4.解析思路：主要挑戰(zhàn)包括：距離極其遙遠導致信號衰減嚴重、信噪比低，難以精確測量；相對速度高導致多普勒頻移量大，測量精度要求高；探測器可見時間受地球自轉和天體位置限制，需要全球分布的測控站網絡；宇宙環(huán)境影響（如電離層延遲、相對論效應修正）復雜；數(shù)據傳輸帶寬有限，處理量大。四、計算題1.解析思路：徑向速度即視向距離變化率。利用測距和信號傳播速度可以估算時間間隔Δt=2*距離/c。視向距離變化率≈徑向速度=距離/Δt。將距離單位米轉換為千米，速度單位轉換為千米/秒即可。計算過程：Δt≈2*3.84×10^8m/3.00×10^8m/s=2.56s。徑向速度≈3.84×10^8m/2.56s=1.50×10^8m/s=150km/s。結果：徑向速度約為150千米/秒。2.解析思路：平均軌道速度v=2π*軌道半徑/周期。將半徑和周期單位統(tǒng)一后代入計算。多普勒頻移與徑向速度成正比，徑向速度v=ω*r，其中ω是角速度。角速度ω=2π/周期。定性說明：由于軌道近似圓形且角速度恒定，徑向速度大小不變，多普勒頻移信號的幅度也基本保持恒定。如果考慮行星自轉，則測控站的地基坐標系相對于慣性坐標系是旋轉的，導致探測器的絕對徑向速度在測控站看來是變化的，多普勒頻移信號的幅度會隨時間呈現(xiàn)周期性變化。計算過程：v=2π*1.50×10^7m/(12.0h*3600s/h)≈2π*1.50×10^7/4.32×10^4≈2.18×10^3m/s=2.18km/s。結果：平均軌道速度約為2.18千米/秒。3.解析思路：估算能量消耗可以比較變軌前后探測器相對于地球的引力勢能變化。ΔU=U_final-U_initial=-GMm/R_final-(-GMm/R_initial)=GMm*(1/R_initial-1/R_final)。將數(shù)值代入計算。注意單位統(tǒng)一，G、M用國際單位，r用米。計算過程：ΔU=6.67×10^-11N·(m/kg)^2*5.97×10^24kg*[(1/1.50×10^11m-1/1.00×10^11m)]=3.986×10^14m^3/s^2*[(1/1.50-1/1.00)×10^-11m^-1]≈3.986×10^14*[-0.333×10^-11]J≈-1.33×10^3J。這個數(shù)值非常小，說明引力勢能變化相對于宏觀的軌道機動能量需求是次要的，此估算方法僅作概念演示，實際變軌能量主要消耗在克服引力做功