NASA深空探測

1、未來未來2525年深空導(dǎo)航年深空導(dǎo)航未來25年的深空探測任務(wù) “黎明”計劃（小行星探測） 低推力，精確的光學(xué)導(dǎo)航 2007年9月27日發(fā)射，搜索灶神星和谷神星 火星科學(xué)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(dá)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(yù)計2016年到達(dá)木星軌道 火星偵察兵計劃 火星大氣層導(dǎo)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(xì)粒土壤加熱到火星后獲得的第一鏟

2、細(xì)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(wù) 火星導(dǎo)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(wù) 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(yù)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(dǎo)航、放射環(huán)境、氣動捕獲未來二十五年的深空探測任務(wù) 多航天器望遠(yuǎn)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(dǎo)航 人類登陸火星 載人可靠性的驗證 帶外行星登陸 三體導(dǎo)航，放射環(huán)境，再入、下降和著陸深空導(dǎo)航任務(wù)所面臨的主要挑戰(zhàn) 對自主導(dǎo)航的更多需求。很多任務(wù)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(wù)將無法完成。 更多地使用原地導(dǎo)航以及光學(xué)導(dǎo)航，這些導(dǎo)航利用原地的資源，增強了自主導(dǎo)航和近距離操作的能力。 更多地使用三體或者四體動力學(xué)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(biāo)。 愈發(fā)需要更高精度的導(dǎo)航、制導(dǎo)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(dǎo)航任務(wù)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(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)的成本與風(fēng)險，這要通過生產(chǎn)輕質(zhì)，低成本，高可靠性導(dǎo)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(xué)導(dǎo)航的使用 開發(fā)通用的自主導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)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(yīng)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(zhǔn)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(fù)合工作時對航天器能夠達(dá)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(guān)系。 通過使用相距很遠(yuǎn)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(xué)導(dǎo)航的使用 光學(xué)導(dǎo)航是通過探測器的光學(xué)導(dǎo)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(xué)導(dǎo)航已被廣泛用于探測器的飛越任務(wù)和外行星登陸任務(wù)。 未來，除了繼續(xù)開發(fā)兼顧費用、質(zhì)量和動力的專用導(dǎo)航攝像機外，將重點對光學(xué)導(dǎo)航的自主著陸及障礙規(guī)避技術(shù)進行研究。

7、導(dǎo)航相機：“好奇”號在桅桿上裝有兩對導(dǎo)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(xué)導(dǎo)航在“好奇”號上的應(yīng)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(dǎo)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(fù)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(wù)中的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)成為了小行星探測技術(shù)需要研究的重點之一

8、。 自主導(dǎo)航一方面能夠減少傳統(tǒng)導(dǎo)航方法在操作上的復(fù)雜性，降低成本，更重要的是自主導(dǎo)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(dǎo)航提供了可能。自主導(dǎo)航作為一種驗證技術(shù)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(dǎo)航是基于導(dǎo)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(biāo)天體圖像的自主導(dǎo)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(dǎo)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(shù)，完成了飛越過程中的實時導(dǎo)航及對彗星塵埃的收集任務(wù)。目前的自主導(dǎo)航技術(shù)主要利用光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)。未來的自主導(dǎo)航系統(tǒng)將會用到激光

9、雷達(dá)，地面無線電測量等提供的數(shù)據(jù)。開發(fā)通用的自主導(dǎo)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(dǎo)航服務(wù)的成本，提高深空導(dǎo)航能力，而且能夠更好地進行軌道預(yù)測。 通過逐步改進深空導(dǎo)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(wù)對導(dǎo)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(biāo)特性。它具有全天候、遠(yuǎn)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(shù)，實現(xiàn)更高精度的軌道和位置預(yù)測，使導(dǎo)航系統(tǒng)的著陸設(shè)備更加簡單，導(dǎo)航精度更加準(zhǔn)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(zhǔn)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(dǎo)航信息服務(wù)。利用X射線脈沖星導(dǎo)航能夠提供10維導(dǎo)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(dǎo)航的新方法探索深空導(dǎo)航的新方法 利用高靈敏度的加速度計感應(yīng)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