2025年大學《空間科學與技術》專業(yè)題庫——航天器在宇宙空間中的定位考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.航天器在慣性空間中的位置和速度矢量通常被稱為________矢量。2.利用天文觀測來確定航天器位置和速度的方法稱為________導航。3.衛(wèi)星導航系統(tǒng)（如GPS）通過測量信號傳播時間來計算用戶到衛(wèi)星的________。4.慣性導航系統(tǒng)（INS）的核心部件是________和加速度計。5.在航天器導航中，地球參考坐標系（ECEF）是一個以地球質(zhì)心為中心，x軸指向格林尼治標準子午面與赤道交點，z軸指向地球________的右手坐標系。6.為了克服單一導航系統(tǒng)（如INS）誤差累積的缺點，通常采用________導航技術。7.航天器的姿態(tài)是指航天器相對于________的指向和姿態(tài)狀態(tài)。8.星敏感器通過拍攝________圖像來確定航天器的精確姿態(tài)角。9.地面測控站通過測量航天器信號的________頻移來推算航天器的速度。10.航天器自主導航是指航天器依靠自身攜帶的________和計算單元自主完成導航任務。二、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述天文導航的基本原理。2.衛(wèi)星導航定位中，什么是偽距？產(chǎn)生偽距的主要原因有哪些？3.簡述慣性導航系統(tǒng)（INS）的主要優(yōu)點和主要缺點。4.為什么深空探測器通常需要采用多種導航手段組合？三、論述題（每題10分，共30分）1.比較地面測控網(wǎng)絡（TT&C）用于航天器定位與衛(wèi)星導航系統(tǒng)（如GPS）用于航天器定位在原理、精度和應用場景方面的主要異同。2.詳細說明組合導航系統(tǒng)（例如，GNSS/INS組合）的基本原理及其在改善航天器導航性能方面的作用。3.闡述航天器定姿的必要性，并簡述幾種常用的航天器姿態(tài)測量傳感器的原理。四、計算題（共30分）1.假設一航天器在某一時刻的慣性坐標系（I）中的狀態(tài)矢量為：位置r_I=[10000,20000,3000]km，速度v_I=[-10,-20,2]m/s。坐標系I與地球參考坐標系（ECEF）的轉(zhuǎn)換矩陣為R_IECEF。已知R_IECEF在該時刻為：R_IECEF=[[0.987,-0.154,0.034],[0.154,0.987,-0.034],[-0.034,0.034,0.999]]。請計算該航天器在同一時刻在ECEF坐標系中的位置矢量r_ECEF和速度矢量v_ECEF。（15分）2.假設某衛(wèi)星導航系統(tǒng)向航天器發(fā)射信號，信號傳播速度為c=3x10^8m/s。航天器接收到的來自三顆不同衛(wèi)星的信號到達時間分別為t_1,t_2,t_3。已知三顆衛(wèi)星的位置矢量分別為r_s1,r_s2,r_s3。請寫出基于偽距測量的航天器定位的基本方程（組）。（15分）試卷答案一、填空題1.狀態(tài)2.天文3.距離4.陀螺儀5.赤道面（或天球赤道）6.組合7.慣性參考系（或慣性空間）8.恒星（或星場）9.多普勒10.傳感器二、簡答題1.解析思路：天文導航通過測量航天器到已知天體（如太陽、月亮、特定恒星）的距離或角度，結合天體的精確位置（星歷），利用幾何關系解算出航天器的位置和速度。角度測量通常通過測量天體相對于已知方向（如某些標軸）的角度來實現(xiàn)，結合航天器自帶的慣性測量單元（IMU）提供的位置和速度初始估計或速度更新信息，進行導航解算。2.解析思路：偽距是指航天器接收機測得的衛(wèi)星信號從衛(wèi)星發(fā)射到被接收機接收所經(jīng)歷的時間乘以光速c所得的距離。它等于衛(wèi)星真實位置到接收機位置的幾何距離，但由于信號傳播延遲、衛(wèi)星鐘和接收機鐘的鐘差、大氣層延遲等因素的影響，測得的偽距并不等于真實的幾何距離。3.解析思路：INS的優(yōu)點是能夠提供連續(xù)、實時的位置、速度和姿態(tài)信息，不受外部干擾，隱蔽性好，能在各種環(huán)境（如空間、高空、深海）和天氣條件下工作。主要缺點是存在誤差累積，隨時間推移誤差會逐漸增大，導致導航精度下降，需要定期通過外部導航系統(tǒng)（如GPS）進行校準或修正。4.解析思路：深空探測器遠離地球，地面測控站的信號延遲大、數(shù)據(jù)率低，且測控鏈路并非時刻可用。單一導航手段（如依賴地面站進行導航）難以滿足高精度、高實時性、高可靠性的導航需求。采用多種導航手段（如GNSS、天文導航、慣性導航、星光跟蹤等）組合，可以取長補短，利用不同系統(tǒng)的特性互補（如INS提供連續(xù)導航，GNSS提供高精度修正，天文導航提供高精度絕對基準），提高導航的精度、可靠性和連續(xù)性，確保探測器按預定任務軌道飛行。三、論述題1.解析思路：*相同點：都是為了確定航天器在空間中的位置和（有時也包括）速度；都依賴于測量航天器與已知參考點（天體、衛(wèi)星、地面站）之間的某種物理量（距離、角度、頻率等）；最終目標都是提供航天器狀態(tài)信息用于導航和控制。*不同點：*原理：地面測控定位主要利用多普勒頻移效應（測速）和距離多普勒測距（測距），結合地面站已知位置計算航天器狀態(tài)；衛(wèi)星導航定位利用測量信號傳播時間（測距）和衛(wèi)星星歷（已知衛(wèi)星位置），計算航天器到多顆衛(wèi)星的距離，通過幾何解算確定位置。天文導航利用測量航天器到天體的角度或距離，結合天體星歷計算位置。*精度：現(xiàn)代衛(wèi)星導航（如GPS）相對精度較高；地面測控定位精度相對較低，主要提供粗略導航；天文導航精度取決于觀測精度和天體背景亮度。*應用場景與依賴性：地面測控依賴地面站和測控鏈路，存在信號延遲和覆蓋盲區(qū)；衛(wèi)星導航依賴衛(wèi)星星座和信號接收條件（如可見性、遮擋）；天文導航依賴可見的天體和精確的星歷。2.解析思路：組合導航是將來自不同導航傳感器的信息（如GNSS、INS、輪速計、氣壓計、視覺傳感器等）進行融合處理，以獲得比單一傳感器更精確、更可靠、更連續(xù)的導航結果?；驹硗ǔ；谧顑?yōu)估計理論（如卡爾曼濾波），利用不同傳感器的優(yōu)點：GNSS提供高短期精度但易受干擾和遮擋；INS提供連續(xù)導航但誤差累積。組合導航系統(tǒng)通過融合這些信息，可以充分利用GNSS的短期高精度修正INS的累積誤差，同時利用INS在GNSS信號丟失時的連續(xù)導航能力，從而顯著提高整個導航系統(tǒng)的性能、魯棒性和可用性。融合過程涉及狀態(tài)估計、誤差模型建立、信息加權等步驟。3.解析思路：航天器定姿的必要性在于：許多航天任務（如對地觀測、空間探測、通信、交會對接、太陽能帆板定向等）都需要航天器精確指向特定的目標或保持特定的姿態(tài)，以實現(xiàn)任務要求的功能。姿態(tài)不準確會導致無法有效執(zhí)行任務或能量損耗。定姿是指確定航天器主體坐標系相對于慣性坐標系或某個參考坐標系（如太陽、地球中心、任務目標）的指向。常用的姿態(tài)測量傳感器原理包括：星敏感器通過拍攝并識別星圖來確定航天器相對于慣性空間的精確指向；太陽敏感器通過探測太陽方向來確定航天器的近似姿態(tài)或提供一個穩(wěn)定參考；陀螺儀測量航天器的角速率，通過積分得到角位移變化；磁強計通過測量地磁場矢量來確定航天器相對于地磁極的指向（常用于磁穩(wěn)定衛(wèi)星）；慣性測量單元（IMU）也包含陀螺儀和加速度計，可用于姿態(tài)測量和穩(wěn)定。四、計算題1.解析思路：這是坐標變換問題。位置矢量變換：r_ECEF=R_IECEF*r_I。速度矢量變換：v_ECEF=R_IECEF*v_I。因為速度是相對于慣性系的，而慣性系與ECEF系之間只有旋轉(zhuǎn)關系（假設無平動），所以速度變換只需乘以旋轉(zhuǎn)矩陣。將給定的r_I,v_I和R_IECEF代入上述公式進行矩陣乘法即可得到結果。2.解析思路：基于偽距測量的定位原理是測量航天器到多顆已知位置的衛(wèi)星的距離，然后通過幾何關系確定航天器的位置。假設航天器位置為r,第i顆衛(wèi)星的位置為r_i(i=1,2,3)，信號傳播速度為c。根據(jù)距離公式，航天器到第i顆衛(wèi)星的真實距離d_i=||r-r_i||。由于存在測量誤差和衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差，實際測量的偽距p_i=d_i+ε_i=||r-r_i