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火星探测器、卫星是如何导航的?怎么确定其在宇宙中的具体位置? 第1页

  

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嗨,回答一下火星探测器是如何导航的?

火星距离地球最远约为4亿千米,火星探测器在飞向火星的漫漫长途中,将进行多次轨道中途修正,逐渐接近火星;为了实现环绕火星,探测器还将进行火星捕获机动和一系列的捕获轨道修正;在火星着陆降落前,还需要对待着陆区进行成像和预报分离点的位置,这些都离不开对火星探测器的精确导航。


图1 距离、速度和VLBI测量示意

通常,火星探测器导航可以分为地基导航和自主导航两类,其中地基导航由于实现方便、精度高,是最主要的导航手段。国外火星探测活动经验表明,对火星探测器的精确地基导航主要依靠深空网。利用深空网对火星探测器进行无线电距离和速度测量(图1所示),即通常所说的测距和多普勒测量。在此基础上考虑太阳光压、各天体引力摄动等动力学模型,解算探测器在太空中的位置和速度等信息,进而实现导航。由于距离遥远,距离和速度测量对导航精度的敏感性不断降低,为了进一步提升导航精度,还加入甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI),获取对探测器的角度测量,进一步提高导航精度。

图2是美国NASA深空网在深空探测任务中利用测距、多普勒和VLBI能够到达的精度。这三种导航手段的特点如下:

 距离测量主要采用纯侧音相干转发测距,音码混合测距,以及再生伪码测距三种方式,其中再生伪码测距可以避免转发环节噪声的影响,有效提高探测器上的功率利用效率,实现测距信噪比的提高,更加适合火星探测等深空活动,对火星探测器的导航精度约为几十千米量级。

 多普勒速度测量以精度高、通用性好一直是深空导航领域主要的跟踪数据类型,如美国X波段速度测量精度能够达到0.03mm/s,对火星探测器的导航精度约为十几千米量级。

 VLBI技术的发展经历了ΔVLBI (Delta VLBI)、双差分单向测距(Delta Differential One-way Range,ΔDOR)、同波束干涉测量(Same Beam Interferometry, SBI)、连线干涉测量(Connected Element Interferometry,CEI)、甚长基线阵(Very Long Baseline Array,VLBA)等阶段,精度也从数百个nrad(纳弧度)提升至约1nrad(对火星探测器的导航精度约为1千米),将来甚至能达到0.1nrad。

VLBI技术作为传统测距和多普勒测速方法的重要补充,在现代深空导航中具有不可取代的地位,两者的具体对比参见表 1 测距和多普勒测速技术与干涉测量技术对比。

图2 美国深空探测无线电测量技术发展历程

除了地基导航,火星探测器还可以通过自身携带的有关设备进行天文导航、惯性导航、视觉导航等自主导航,这些手段可以在接近火星或者火星表面巡视时使用。基于X射线脉冲星的自主导航方法还处于研究探索中,也是火星导航的一种潜在手段。

我国首次火星探测任务的导航,主要依靠佳木斯深空站、喀什深空站和阿根廷深空站组成的深空测控网,以及我国射电天文观测网的VLBI测轨分系统来实现的。

注:有兴趣的您可以参阅清华大学出版社 2005年出版的Thornton,C.L. Border,J.S. 著 李海涛 译 《深空导航无线电跟踪测量技术》 。

答者:李海涛




  

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