8.1 航天器导航的概念与分类
8.2 航天器的自主导航系统
8.3 航天器的轨道机动与轨道保持
8.4 航天器的交会与对接
8.5 航天器的再入返回控制
8.6 星际飞行的导航与制导
第八章 航天器的导航与制导
航天器导航就是轨道确定.航天器轨道确定基本上可分为两大类:自主和非自主.非自主测轨由地面站设备,例如雷达,对航天器进行跟踪测轨,并且在地面上进行数据处理,最后获得轨道位置信息.相反,若航天器的位置和速度等运动参数用星上测轨仪器(或称导航仪器)来确定,而该仪器的工作不依赖于位于地球或其他天体的导航和通信设备,那么轨道确定(空间导航)则是自主的.
8.1 航天器导航的概念与分类
自主导航存在两种方式:被动或主动.被动方式意味着与航天器以外的卫星或地面站没有任何合作,例如空间六分仪;而主动方式意味着与航天器以外的地面站或卫星(例如数据中继卫星)有配合,例如全球定位系统.另外还存在一个问题需要考虑,即航天器自主轨道确定与姿态确定是相互关联或者互相独立的.一般说来由于轨道比姿态变化缓慢的原因,希望轨道确定和姿态确定互相分开,特别在精度要求很高的场合.但是有许多敏感器,例如空间六分仪,陆标跟踪器,惯性测量部件,太阳和星敏感器等,既可以作轨道确定系统的敏感器,同样地也可作姿态确定系统的敏感器.根据这些敏感器所得到的信息,设计相应软件,经过计算机进行数据处理和计算,就可以得到有关轨道和姿态的数据.在这种情况下,姿态和轨道确定是相关联的.
空间自主导航系统按它的工作原理可分为五大类:
(1)测量对于天体视线的角度来确定航天器的位置
(2)测量地面目标基准来确定航天器的位置和姿态
(3)对已知信标测距
(4)惯性导航方法
(5)组合导航方法
猎兔犬2"号登陆器脱离"火星快车"探测器的效果图
基于上节介绍的自主导航原理的实际航天器导航系统有很多种,本节将首先着重介绍全球定位系统(GPS)和(天文)惯性导航两种自主导航系统.前者属于对已知信标测距类主动或自主导航系统,而后者属于被动式(组合)自主导航系统.
北斗导航试验应用图
8.2 航天器的自主导航系统
8.2.1 全球定位系统(GPS)
全球定位系统(GPS)是一个全球性的新型卫星导航系统,它可为各种运动物体即用户提供连续,实时的导航,同时给出用户的3个位置坐标,3个速度分量以及精密时间.作为全球定位系统用户的各种运动物体可以是航空飞行器,航海舰船,甚至地面运动的汽车和人.近年来,全球定位系统在航天器自主导航中的应用已受到了人们广泛的重视.
全球定位系统是以卫星作为导航台的无线电导航系统,由三部分组成.
(1)导航卫星:是空间导航台,它接收和储存地面站制备的导航信号,再依次向用户发射.它接收来自地面站的控制指令并向地面站发射卫星的遥测数据.
卫星与通信视频资料
(2)地面站组:包括主控站,监测站,注入站等多种地面站和计算中心.地面站组收集来自卫星及与系统工作有关的信息源的数据,对数据进行处理计算,产生导航信号和控制信号,再由地面站发送给卫星.
主控站设有精密时钟,是GPS系统的时间基准,各监测站和各卫星的时钟都须与其同步.主控站设有计算中心,根据各监测站送来的各种测量数据,编制各卫星星历,计算各卫星原子钟钟差,电离层,对流层校正参量等.主控站在处理数据完成并计算编制后,将数据送到注入站.
注入站当卫星通过其视界时,将其储存的导航信息注入卫星.注入站还负责监测注人卫星的导航信息是否正确.注入站每天向卫星注入一次新的导航数据.
(3)用户设备:用于接收和处理导航信号,进行定位计算和导航.对于航天器而言,用户设备属于星载设备.GPS系统采用无源工作方式,这给航天器定位带来很大方便.
接收天线接收卫星发射的导航信号,从中提取卫星星历,距离及距离变化率,时钟校正参量,大气校正参量等,将这些数据及其他一些数据(例如用户的估计位置等)送至计算机,算出航天器在空间直角坐标系中的坐标,或将空间直角坐标转换成航天器所需的其他坐标.
GPS系统的组成结构如图8.2所示.
图8.2 GPS系统组成方框图
GPS系统是一个庞大而又复杂的系统,它的主要特点是:
(1)能够实现全球,全天候导航:能够提供连续,实时的三维空间坐标,三维速度和精密时间,而且具有良好的抗干扰性能;

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