2025年大學《空間科學與技術》專業(yè)題庫——空間探測器的自主導航技術考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.空間探測器在深空巡航階段，當與地球通信受限于“寂靜區(qū)”時，主要依賴哪種導航技術來維持相對位置和姿態(tài)？()A.慣性導航系統(tǒng)(INS)B.衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)C.天文導航D.地形匹配導航2.下列哪一項不是慣性測量單元（IMU）的主要誤差來源？()A.裝置標度因子誤差B.殘余陀螺漂移C.星敏感器指向誤差D.殘余加速度計偏置3.在空間探測器的著陸過程中，哪種導航技術通常用于精確測量相對地面高度并進行著陸點選擇？()A.太陽敏感器導航B.激光雷達高度計導航C.慣性導航系統(tǒng)推算位置D.衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位4.卡爾曼濾波（KF）主要適用于解決自主導航中的哪種問題？()A.傳感器噪聲估計B.多傳感器數(shù)據(jù)融合C.非線性系統(tǒng)狀態(tài)估計D.導航敏感器標定5.以下哪種導航技術對光照條件變化最為敏感？()A.慣性導航系統(tǒng)B.星敏感器導航C.激光雷達導航D.地形匹配導航6.自主導航系統(tǒng)中的“感知”模塊主要完成什么任務？()A.根據(jù)導航信息生成控制指令B.獲取并處理來自導航敏感器的原始數(shù)據(jù)C.建立并更新環(huán)境地圖D.實現(xiàn)航天器姿態(tài)控制7.空間探測器在木星軌道附近進行導航，主要的引力源是木星自身，這給慣性導航系統(tǒng)的什么帶來了挑戰(zhàn)？()A.陀螺漂移增大B.加速度計測量誤差C.速度積分誤差累積加快D.傳感器標度因子變化8.以下哪項技術通常不用于自主導航中的地圖構(gòu)建環(huán)節(jié)？()A.光學圖像拼接B.慣性導航預積分C.激光高度計數(shù)據(jù)融合D.星圖數(shù)據(jù)庫更新9.為了提高自主導航系統(tǒng)的魯棒性和可靠性，常采用什么策略？()A.單一傳感器冗余B.多傳感器信息融合C.降低導航精度要求D.減少計算量10.利用探測器自身攜帶的原子鐘和慣性測量單元，通過推算位置與實際觀測值比較進行導航校正的技術，最接近于哪種導航方式的原理？()A.衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)B.慣性導航系統(tǒng)(INS)自主導航C.天文導航D.地形匹配導航二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.自主導航系統(tǒng)通常需要具備______、______和______三個基本功能模塊。2.慣性測量單元（IMU）主要由______和______組成。3.卡爾曼濾波（KF）是一種最優(yōu)的______算法，常用于處理線性高斯噪聲下的狀態(tài)估計問題。4.天文導航利用探測器的______或______來確定其位置和速度。5.地形匹配導航中，將探測器傳感器觀測到的______與預先存儲的______進行匹配，以確定探測器位置。6.空間探測器的自主導航技術需要應對真空、高真空、高低溫、高輻射等特殊______環(huán)境。7.在深空探測中，由于距離遙遠，地面______常常受限，因此自主導航能力至關重要。8.激光雷達高度計通過發(fā)射激光并接收反射信號，可以精確測量探測器相對于______的距離。9.自主導航中的數(shù)據(jù)融合技術旨在綜合處理來自不同傳感器的數(shù)據(jù)，以獲得______和______的導航結(jié)果。10.隨著人工智能的發(fā)展，______和______等技術開始被探索應用于提升自主導航系統(tǒng)的智能化水平。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.自主導航2.慣性導航誤差累積3.星敏感器4.地形匹配導航5.多傳感器數(shù)據(jù)融合四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述慣性導航系統(tǒng)（INS）的基本工作原理及其主要優(yōu)點和缺點。2.為什么說自主導航技術是深空探測不可或缺的關鍵技術？3.簡述天文導航的主要原理及其在深空探測中的應用限制。4.在空間探測器的自主導航系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)融合技術主要解決什么問題？有哪些常見的融合方法？五、論述題（每題10分，共20分）1.分析影響空間探測器自主導航精度的主要因素有哪些，并探討相應的誤差補償或處理方法。2.結(jié)合一個具體的空間探測任務（如火星探測器、月球著陸器等），論述自主導航技術在其任務不同階段（如巡航、軌道捕獲、著陸）所起的作用及面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.C5.B6.B7.C8.B9.B10.B二、填空題1.感知，決策，執(zhí)行2.陀螺儀，加速度計3.線性高斯噪聲下的狀態(tài)估計4.星位，星光角速度5.視覺特征/雷達回波特征，數(shù)字高程圖/數(shù)字地形圖6.環(huán)境適應性7.通信8.星球（或地面/地形）9.更高精度，更強魯棒性（或更高可靠性）10.機器學習，深度學習三、名詞解釋1.自主導航：指航天器不依賴于地面測控站的支持，主要依靠自身攜帶的敏感器和計算機，自主地獲取信息、進行狀態(tài)估計、路徑規(guī)劃和控制，從而完成預定導航任務的技術。2.慣性導航誤差累積：指慣性測量單元（IMU）輸出的角速度和加速度信號包含各種誤差，經(jīng)過積分處理后，這些誤差會隨時間推移而不斷累積，導致導航位置和速度的估計誤差越來越大。3.星敏感器：一種利用光學望遠鏡精確測量天體（主要是恒星）角位置的導航敏感器，通過將測量的星光方向與星圖數(shù)據(jù)庫進行匹配，可以高精度地確定航天器的姿態(tài)和位置。4.地形匹配導航：一種利用航天器傳感器（如光學相機、激光高度計）獲取的實時地形/地貌信息，與預先存儲在航天器上的數(shù)字高程圖/數(shù)字地形圖進行匹配，從而確定航天器自身位置和速度的自主導航技術。5.多傳感器數(shù)據(jù)融合：指將來自兩個或多個不同傳感器的信息，按照一定的準則進行組合處理，以獲得比任何單一傳感器信息更精確、更可靠、更全面導航結(jié)果的技術。四、簡答題1.基本工作原理：慣性導航系統(tǒng)通過精確測量航天器的角速度和加速度，經(jīng)過數(shù)學變換和積分運算，推算出航天器的位置、速度和姿態(tài)。它基于牛頓運動定律，利用陀螺儀測量角運動，利用加速度計測量線運動加速度。優(yōu)點：全球全天候工作，不依賴外部信號，隱蔽性好，能提供連續(xù)的位置、速度和姿態(tài)信息。缺點：存在誤差累積，誤差隨時間增長，需要高精度的傳感器，成本較高，對環(huán)境振動敏感。2.深空探測中，航天器遠離地球，地面的通信和測控能力有限，無法提供連續(xù)的導航支持。自主導航技術使航天器能夠自主確定自身狀態(tài)和位置，完成復雜的飛行任務，如軌道捕獲、交會對接、精確著陸、自主漫游等。它是實現(xiàn)深空探測高自主性、完成高風險任務和應對地面支持受限情況的關鍵保障。3.主要原理：利用星敏感器精確測量航天器指向的恒星角位置，通過恒星的位置和航天器的初始狀態(tài)，可以計算出航天器的軌道根數(shù)和地心慣性坐標系下的位置、速度。在深空探測中，天文導航主要用于：應用限制：受限于可見星的數(shù)量和天空背景亮度（如行星、月亮、太陽遮擋）；需要精確的星表和星圖數(shù)據(jù)庫；對星敏感器的精度和穩(wěn)定性要求高；在地球陰影區(qū)或太陽光壓影響顯著時，天文導航可能與其他方法結(jié)合使用。4.數(shù)據(jù)融合技術主要解決單一傳感器存在的局限性（如精度不足、易受干擾、視場限制等），通過綜合利用不同傳感器的信息，可以優(yōu)勢互補，提高導航結(jié)果的精度、可靠性和魯棒性，減少對單一傳感器的依賴，增強自主導航系統(tǒng)的整體性能。常見的融合方法包括：加權平均法、卡爾曼濾波及其擴展（EKF,UKF,PF）、貝葉斯估計、神經(jīng)網(wǎng)絡融合等。五、論述題1.影響空間探測器自主導航精度的主要因素包括：a.傳感器誤差：慣性測量單元（IMU）的陀螺漂移和加速度計標度因子誤差會導致隨機的和系統(tǒng)性的導航誤差累積；星敏感器、激光雷達等的測量噪聲和標定誤差會影響定位精度。b.環(huán)境因素：非球形引力場、太陽光壓、引力梯度等非保守力的影響；航天器姿態(tài)波動對IMU和光學傳感器測量的干擾；空間環(huán)境的輻射和振動對傳感器性能的影響。c.算法因素：狀態(tài)估計算法（如卡爾曼濾波）的模型誤差（如未考慮的非保守力）、噪聲統(tǒng)計模型的準確性、地圖數(shù)據(jù)的精度和更新頻率（地形匹配導航）、星圖匹配算法的效率（天文導航）。d.任務階段：不同任務階段（如發(fā)射、巡航、著陸）的動態(tài)特性、飛行路徑和導航要求不同，對導航精度的影響也不同。相應的誤差補償或處理方法：a.對IMU誤差：采用高精度傳感器；進行傳感器標定和誤差補償（如陀螺漂移補償）；利用多傳感器融合進行誤差估計與補償。b.對環(huán)境因素：在導航模型中考慮非保守力的影響；利用星敏感器等提供的高頻姿態(tài)信息對IMU測量進行修正（捷聯(lián)式INS）；采用對稱機動或特定軌道設計減少環(huán)境力影響。c.對算法因素：建立更精確的導航模型；采用自適應卡爾曼濾波等方法處理非高斯噪聲；提高地圖分辨率和實時更新能力；優(yōu)化星圖匹配算法。d.對任務階段：針對不同階段特點設計自適應的導航策略和算法。綜合運用多種方法，是提高自主導航精度的關鍵。2.以火星探測器為例：任務階段及自主導航作用與挑戰(zhàn)：a.發(fā)射段：探測器從地球發(fā)射進入過渡軌道。自主導航主要作用是確保進入正確的初始軌道。挑戰(zhàn)包括：高動態(tài)、分離機動頻繁、IMU初始對準要求高、需要精確的發(fā)射參數(shù)測量與補償。b.巡航段：探測器在地球和火星之間飛行。自主導航作用是：精確飛越指定的火星注入點；進行軌道維持和修正（如深空機動點修正）；利用太陽光壓導航或慣性導航進行位置確定。挑戰(zhàn)包括：距離遙遠（數(shù)十億公里）、通信延遲顯著（幾分鐘到二十幾分鐘）、需要長時間高精度的慣性導航和自主軌道確定能力、可能利用太陽帆等新型推進技術帶來新的導航問題。c.軌道捕獲/入軌段：探測器接近火星后，需要調(diào)整軌道進入預定火星軌道。自主導航作用是：精確測量相對火星的距離和速度；執(zhí)行關鍵的制動或變軌機動；實現(xiàn)自主軌道插入和確定。挑戰(zhàn)包括：高動態(tài)、高精度相對導航要求、需要精確的火星引力場和大氣模型、著陸