2025年大學《空間科學與技術(shù)》專業(yè)題庫——星際軌道力學與太空導航系統(tǒng)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題后的括號內(nèi)）1.在考慮相對論效應的星際軌道力學中，以下哪個效應會導致探測器在到達目標天體時的速度（相對于目標天體）比僅考慮牛頓引力計算的理論值更大？A.目標天體的引力勢能增加B.探測器在加速過程中克服自身引力C.距離太陽越近，引力加速度越大（根據(jù)廣義相對論）D.距離目標天體越近，引力加速度越大（根據(jù)廣義相對論）2.對于一次從地球軌道前往火星軌道的霍曼轉(zhuǎn)移，探測器在遠日點（相對于太陽）的速度與僅在地球軌道上運行時的速度相比，以下描述正確的是？A.兩者速度相等B.探測器速度更大C.探測器速度更小D.無法確定，取決于具體日期3.在利用引力彈弓效應進行星際探測時，探測器主要利用的是哪個天體的引力場？A.目標行星的引力場B.母行星的引力場C.中間行星的引力場D.太陽的引力場（作為背景）4.以下哪種太空導航技術(shù)主要利用接收到的衛(wèi)星信號的載波相位進行測距？A.多普勒雷達測速B.偽距導航C.載波相位差分導航D.慣性導航系統(tǒng)（INS）5.在深空探測中，天文導航的主要局限性在于？A.信號傳播延遲巨大B.易受電離層干擾C.需要高精度的星表和觀測設備D.無法提供連續(xù)的導航信息6.衛(wèi)星導航系統(tǒng)（如GPS）確定用戶位置的基本原理是？A.測量用戶到多顆衛(wèi)星的距離B.測量用戶接收機與衛(wèi)星之間的多普勒頻移C.基于用戶到衛(wèi)星的方位角信息D.通過地面站進行人工測位7.對于星際探測器，以下哪種傳感器通常用于精確測量探測器的角速度？A.星敏感器B.慣性測量單元（IMU）C.激光測距儀D.多普勒計速儀8.在星際導航中，星歷（Ephemeris）主要用于提供？A.衛(wèi)星的當前位置和速度信息B.探測器自身的軌道參數(shù)C.地球的自轉(zhuǎn)參數(shù)D.太陽系行星的物理特性9.以下哪種效應是導致長期運行的天基導航系統(tǒng)（如GPS）需要定期進行軌道修正的主要原因？A.衛(wèi)星鐘漂移B.電離層延遲變化C.接收機時鐘誤差累積D.地球引力場非球形攝動10.自主導航系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于？A.可以提供全球覆蓋B.不依賴地面站或外部信號源C.具有最高的導航精度D.成本最低廉二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題后的橫線上）1.根據(jù)開普勒第三定律，開普勒軌道的半長軸的三次方與其公轉(zhuǎn)周期的平方之比，對于繞同一中心天體運行的所有軌道是________的。2.在進行星際霍曼轉(zhuǎn)移軌道設計時，選擇合適的________和________是關(guān)鍵步驟，直接影響到任務的能量消耗和時間。3.太空中的引力彈弓效應本質(zhì)上是利用了________原理，通過與高速運動的行星相遇，改變探測器的________和________。4.天基無線電導航系統(tǒng)（如GPS）利用衛(wèi)星發(fā)射的測距碼和載波信號，通過測量________和時間延遲來計算用戶的位置。5.慣性導航系統(tǒng)（INS）通過測量載體________和________的變化，結(jié)合初始位置信息，來推算載體的位置和速度。6.在深空導航中，VLBI（甚長基線干涉測量）技術(shù)通過測量兩臺地面天線到達________的時間差，來確定________的位置。7.星敏感器通過觀測并識別________的角位置，來確定探測器自身的姿態(tài)（指向）。8.誤差分析是太空導航中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，衛(wèi)星鐘差、________、________等是影響衛(wèi)星導航定位精度的主要誤差源。9.對于深空探測器，由于與地球的距離非常遙遠，傳統(tǒng)地面深空測控網(wǎng)絡的________和________受到限制，對探測器的自主導航能力提出了更高要求。10.星際軌道力學中的“能量守恒”和“角動量守恒”定律是進行軌道分析和________設計的基礎(chǔ)。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述引力彈弓效應（SlingshotEffect）的基本原理及其在深空探測中的應用優(yōu)勢。2.簡要說明多普勒導航（DopplerNavigation）的基本原理。3.簡述天文導航（CelestialNavigation）在深空探測中可能面臨的主要挑戰(zhàn)。4.簡述慣性導航系統(tǒng)（INS）的基本工作原理及其在太空導航中可能存在的局限性。四、計算題（每題10分，共30分）1.假設探測器從地球軌道（近地點距離太陽1AU，遠地點距離太陽1.05AU）出發(fā)，執(zhí)行一次霍曼轉(zhuǎn)移到達火星軌道（近地點距離太陽1.5AU，遠地點距離太陽1.8AU）。忽略太陽的相對論效應，試估算探測器在轉(zhuǎn)移軌道遠日點的速度（相對于太陽）與地球軌道速度（約30km/s）相比是增大還是減??？定性分析原因。（無需精確計算數(shù)值）2.假設一顆星際探測器正在使用天文導航，通過精確測量恒星A和恒星B的角位置變化，發(fā)現(xiàn)它們相對于探測器赤道的角距離變化率為0.01弧度/天。已知恒星A和恒星B的角距離為30弧度，探測器的自轉(zhuǎn)角速度為0.001弧度/天。試定性分析探測器可能處于何種運動狀態(tài)？（例如：繞某軸旋轉(zhuǎn)、平動等）3.在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，已知某用戶接收機同時接收到三顆衛(wèi)星的信號，測得到第一顆衛(wèi)星的距離為19300km，到第二顆衛(wèi)星的距離為20200km，到第三顆衛(wèi)星的距離為18100km。試簡要說明用戶接收機如何利用這些距離信息來初步確定自己的三維空間位置。（無需進行具體計算）五、分析題（15分）某星際探測任務計劃將探測器從地球附近發(fā)射，經(jīng)過約3年的星際航行，抵達距離太陽約1.5AU的某類地行星軌道。任務要求探測器抵達目標軌道后能實現(xiàn)精確定位和姿態(tài)控制。請分析實現(xiàn)這一目標需要綜合考慮哪些主要的軌道力學和導航技術(shù)問題？并簡要說明這些問題的解決思路或關(guān)鍵考慮因素。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.B5.C6.A7.B8.A9.D10.B二、填空題1.相等2.軌道選擇；機位選擇3.動量守恒；速度；方向4.衛(wèi)星信號傳播；偽距5.角位移；角速度6.來自同一遙遠天體的信號；目標天體（或探測器）7.恒星（或已知天體）8.電離層延遲；大氣層延遲9.視線；帶寬10.軌道機動三、簡答題1.解析思路：引力彈弓效應利用了動量守恒原理。探測器接近高速運動的行星時，從行星獲得一部分動量，導致探測器速度增加；離開時，將一部分動量轉(zhuǎn)移給行星。探測器無需消耗大量燃料即可顯著改變其軌道速度或方向。應用優(yōu)勢在于可以用較小的能量實現(xiàn)大范圍的軌道改變，適用于深空探測任務。2.解析思路：多普勒導航利用多普勒效應。當接收機與發(fā)射衛(wèi)星相對運動時，接收到的信號頻率會發(fā)生變化（靠近時升高，遠離時降低）。通過精確測量這種頻率變化（多普勒頻移），可以計算出接收機相對于衛(wèi)星的相對速度。結(jié)合衛(wèi)星的位置信息，可以進而推算出接收機的位置。3.解析思路：天文導航依賴觀測恒星等天體的角位置。在深空，距離遙遠，星光微弱，大氣擾動（如果探測器附近有大氣層）會嚴重影響觀測精度。同時，需要精確的星表，且識別天體耗時。這些因素都給深空天文導航帶來巨大挑戰(zhàn)。4.解析思路：慣性導航通過測量載體自身加速度和角速度，積分得到速度和位置。其優(yōu)點是可提供連續(xù)、自主的導航信息，不受外界干擾。局限性在于存在漂移誤差，隨時間累積，導致定位精度下降，需要定期通過外部信息（如GPS）進行校準。同時，設備相對昂貴，對振動敏感。四、計算題1.解析思路：根據(jù)開普勒定律，軌道半長軸越大，軌道速度越小?；袈D(zhuǎn)移軌道的遠日點距離（1.8AU）大于地球軌道的半長軸（1AU），但小于火星軌道的半長軸（1.65AU）。因此，轉(zhuǎn)移軌道遠日點的速度應小于地球軌道速度（約30km/s）。原因在于探測器在轉(zhuǎn)移軌道上總能量低于在地球軌道上的總能量（更橢圓的軌道，總能量更負），因此在能量最低的遠日點速度更小。2.解析思路：角位置變化率（角速度）可以反映探測器的旋轉(zhuǎn)或平動。兩個恒星相對于探測器赤道的角距離變化，表明探測器的空間姿態(tài)在變化。由于變化率較?。?.01弧度/天），且小于探測器的自轉(zhuǎn)角速度（0.001弧度/天），更可能的情況是探測器繞著一個角速度更小的軸（可能是與赤道軸相關(guān)的軸）進行緩慢旋轉(zhuǎn)，同時可能存在一個角速度更小的平動分量。具體運動狀態(tài)需要結(jié)合更多信息判斷，但主要現(xiàn)象是探測器的姿態(tài)在緩慢變化。3.解析思路：衛(wèi)星導航定位的基本原理是三邊測量法（Trilateration）。已知用戶到三顆衛(wèi)星的距離（偽距），可以確定用戶位于以這三顆衛(wèi)星為球心、相應距離為半徑的三個球面的交點上。這三個球面通常會相交于兩點。第四顆衛(wèi)星（或未來接收到的信號）可以提供第四個距離信息，用于確定用戶位于這兩交點中的哪一個，從而精確確定用戶的三維空間位置。題目中僅給出三顆衛(wèi)星的距離，是確定用戶位置的基礎(chǔ)步驟。五、分析題解析思路：實現(xiàn)星際探測器目標軌道的精確定位和姿態(tài)控制，需要綜合解決以下問題：1.軌道設計與會合：需要精確設計探測器的發(fā)射軌道、星際轉(zhuǎn)移軌道（如霍曼轉(zhuǎn)移、自由飛行段）以及最終的入軌或停泊軌道。這涉及到目標天體軌道預報、引力彈弓策略選擇、能量管理（燃料消耗）。難點在于初始發(fā)射窗口、軌道預報精度、途中可能需要軌道修正。2.軌道確定（導航）：在星際航行中，需要利用各種導航技術(shù)（如VLBI、深空網(wǎng)絡測距/測速、天文導航、甚至星基導航技術(shù)探索）精確確定探測器的位置和速度。這需要克服距離遠、信號延遲大、噪聲高、誤差源多（衛(wèi)星鐘差、相對論效應、引力攝動、大氣延遲等）的挑戰(zhàn)。目標是獲得高精度的PVT（位置、速度、時間）信息。3.軌道控制與機動：當探測器接近目標天體或需要進入預定軌道時，需要執(zhí)行精確的軌道機動（如制動、變軌、姿態(tài)調(diào)整）來匹配目標軌道。這需要高精度的推進系統(tǒng)控制、導航傳感器測量、以及自主或遙控的導航制導與控制（