NASA深空探測

1、未來未來2525年深空導航年深空導航未來25年的深空探測任務 “黎明”計劃（小行星探測） 低推力，精確的光學導航 2007年9月27日發(fā)射，搜索灶神星和谷神星 火星科學實驗室（火星車） 高地登陸，再入、下降和著陸，閉環(huán)控制下躲避障礙 2011年11月25日發(fā)射，2012年8月6日抵達火星 “朱諾”號木星探測器 Ka波段跟蹤 2011年8月5日發(fā)射，預計2016年到達木星軌道 火星偵察兵計劃 火星大氣層導航20132013年年9 9月，美國航天局月，美國航天局2626日利用日利用“好奇好奇”號攜帶的樣本分析儀，將其登陸號攜帶的樣本分析儀，將其登陸火星后獲得的第一鏟細粒土壤加熱到火星后獲得的第一鏟

2、細粒土壤加熱到835835攝氏度的高溫，結(jié)果分解出水、二攝氏度的高溫，結(jié)果分解出水、二氧化碳以及含硫化合物等物質(zhì)，其中水的質(zhì)量約占氧化碳以及含硫化合物等物質(zhì)，其中水的質(zhì)量約占2%2%。“好奇號”火星探測器“朱諾”號木星探測器未來25年的深空探測任務 火星導航衛(wèi)星 超高頻,X-波段、Ka波段或者光鏈路 火星取樣返回任務 精確降落，爬坡，繞火星軌道探測、交會 火星偵察兵航空漫游車 火星大氣探測 彗星取樣 不可預測環(huán)境下進行接近操作，飛行軌跡和姿態(tài)控制相互作用，精確降落 帶外行星軌道探測器 三體導航、放射環(huán)境、氣動捕獲未來二十五年的深空探測任務 多航天器望遠鏡 精密編隊飛行 金星原位探索 金星的再入

3、、下降和著陸段，火星大氣層導航 人類登陸火星 載人可靠性的驗證 帶外行星登陸 三體導航，放射環(huán)境，再入、下降和著陸深空導航任務所面臨的主要挑戰(zhàn) 對自主導航的更多需求。很多任務需要快速更新的閉環(huán)控制，如果地面必須在控制回路中，這些任務將無法完成。 更多地使用原地導航以及光學導航，這些導航利用原地的資源，增強了自主導航和近距離操作的能力。 更多地使用三體或者四體動力學下的低推力推進和低能量傳遞，將更多的儀器載荷傳送到目標。 愈發(fā)需要更高精度的導航、制導與控制，并利用更高分辨率的儀器，來實現(xiàn)定點著陸。深空導航任務所面臨的主要挑戰(zhàn) 愈發(fā)需要飛行軌跡與姿態(tài)控制的集成，來實現(xiàn)大氣輔助操作、低推力導航、小星

4、體接近操作以及編隊飛行。 除此之外，仍需降低高性能導航系統(tǒng)的成本與風險，這要通過生產(chǎn)輕質(zhì)，低成本，高可靠性導航元件來實現(xiàn)。推行戰(zhàn)略 增進無線電測量跟蹤能力 擴大光學導航的使用 開發(fā)通用的自主導航能力 改善頻率和時間子系統(tǒng) 研發(fā)原位無線電跟蹤測量系統(tǒng) 探索深空導航的新方法增進無線電測量跟蹤能力無線電跟蹤測量系統(tǒng)是用無線電波在地面和探測器之間傳遞各種信息。地面向探測器發(fā)送的信號稱上行信號；飛行器向地面發(fā)送的信號稱下行信號。工作原理：發(fā)射機產(chǎn)生的無線電信號由天線定向輻射到目標所在的空間，再由地面接收天線接收飛行器轉(zhuǎn)發(fā)或發(fā)送的下行信號，經(jīng)接收機檢測，比較上、下行信號或下行信號的變化，即可測出飛行器相對

5、于地面測控站的角度、距離和距離變化率等參數(shù)，確定飛行器的空間位置和速度。連續(xù)進行這樣的跟蹤測量即可得出飛行器的彈道或軌道。增進無線電測量跟蹤能力 轉(zhuǎn)變到Ka頻段 與其他深空探測天線運營商合作轉(zhuǎn)變到Ka頻段 優(yōu)勢 受帶電粒子效應影響小，并且有更小的測量噪聲。 Ka波段的無線電頻率資源更加緊湊，而且深空Ka波段的波譜配置500MHz頻率是X-波段的50MHz波譜配置的十倍。 問題為了能夠最大限度地使用Ka波段跟蹤，很有必要： 提高中性介質(zhì)以及地球方向校準的精度與及時性。 需要獲得更精確的類星體列表作為Ka波段源。使用NASA的DSN只能實現(xiàn)VLBI一天兩次地在兩個某些狹窄的瞬時窗口跟蹤一個航天器，

6、而兩個DSN地面站復合工作時對航天器能夠達到相同的能見度。與其他深空探測天線運營商合作與其他深空探測天線運營商合作 合作的好處通過使用附加的非DSN的天線地點，我們能夠獲得： 更精確的觀測幾何關系。 通過使用相距很遠的有相同近似經(jīng)度的天線，可獲得擴展的相同可見性，并且一般來說有很多附加的VLBI跟蹤機會。擴大光學導航的使用 光學導航是通過探測器的光學導航相機拍攝行星等天體或星上的特征物體，經(jīng)過計算獲取探測器的位置和速度信息。 目前，光學導航已被廣泛用于探測器的飛越任務和外行星登陸任務。 未來，除了繼續(xù)開發(fā)兼顧費用、質(zhì)量和動力的專用導航攝像機外，將重點對光學導航的自主著陸及障礙規(guī)避技術進行研究。

7、導航相機：“好奇”號在桅桿上裝有兩對導航用的黑白3D相機，每個有45度的視野。這種相機能協(xié)同主計算機工作并合成三維立體照片，讓好奇號在行駛和移動機械臂時能及時發(fā)現(xiàn)并躲開障礙物。光學導航在“好奇”號上的應用避險相機：在四個角落的較低位置各裝有一對避開障礙用的黑白3D相機，每個約有度的視野。它們主要用來防止“好奇”號意外撞上障礙物，并在軟件的幫助下，讓“好奇”號能夠在一定程度上自主決定行走路線。開發(fā)通用的自主導航能力 在小行星探測器著陸過程中，由于小行星周圍引力場復雜、測控信息匱乏、探測器與地面控制站通信延遲大等特點，使得小行星探測任務中的導航、制導與控制技術成為了小行星探測技術需要研究的重點之一

8、。 自主導航一方面能夠減少傳統(tǒng)導航方法在操作上的復雜性，降低成本，更重要的是自主導航方式不需要地面控制站的支持，給深空環(huán)境下進行實時導航提供了可能。自主導航作為一種驗證技術首先被用于1998年發(fā)射的“深空一號”探測器上，探測器在巡航段的自主導航是基于導航相機拍攝帶有恒星背景的小行星圖像來完成的；在接近和飛越小行星段是基于目標天體圖像的自主導航。1999 年發(fā)射的“星塵”號彗星探測器，在接近及飛越彗星過程中，自主導航系統(tǒng)利用拍攝的彗星圖像，結(jié)合姿態(tài)確定系統(tǒng)及濾波技術，完成了飛越過程中的實時導航及對彗星塵埃的收集任務。目前的自主導航技術主要利用光學導航系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)。未來的自主導航系統(tǒng)將會用到激光

9、雷達，地面無線電測量等提供的數(shù)據(jù)。開發(fā)通用的自主導航能力改善頻率和時間系統(tǒng) 通過使用超穩(wěn)定（晶振）振蕩器，改善系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度，降低深空導航服務的成本，提高深空導航能力，而且能夠更好地進行軌道預測。 通過逐步改進深空導航系統(tǒng)各子系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的整體性能，以滿足新任務對導航系統(tǒng)的要求。研發(fā)原位無線電跟蹤測量系統(tǒng) 原位無線電跟蹤測量系統(tǒng)能夠跟蹤并測量飛行器運動軌跡、目標特性。它具有全天候、遠距離探測、便于傳送多種信息和實時處理等優(yōu)勢。 利用原位無線電跟蹤測量技術，實現(xiàn)更高精度的軌道和位置預測，使導航系統(tǒng)的著陸設備更加簡單，導航精度更加準確，傳輸速度更加快捷。X射線脈沖星是高速自轉(zhuǎn)的中子星，具有極其穩(wěn)定的周期性，被譽為自然界最精準的天文時鐘。因此，脈沖星能夠成為人類在宇宙中航行的“燈塔”，為近地軌道、深空和星際空間飛行的航天器提供自主導航信息服務。利用X射線脈沖星導航能夠提供10維導航信息，包括3維位置、3維速度、3維姿態(tài)和1維時間。探索深空導航的新方法探索深空導航的新方法 利用高靈敏度的加速度計感應作用在飛船的非重力，進而實現(xiàn)對隨機擾動的建模或者補償。 解決方案：冷原子干涉儀。 冷原子的速度可以精確地控制在每秒幾米左右,在系統(tǒng)集成和小型化方面有著明顯優(yōu)勢.冷原子具有質(zhì)量和傳播時間長等