空天信息技术概论结业论文

1、电子科技大学电子工程学院空天信息技术概论结业论文关于星际航行定位系统的研究 学生姓名： 学 号：指导教师： 2014年12月关于星级导航定位技术的一系列文章的感想 题记：出于我对航空航天方面感兴趣，去年选修过王磊老师的无线电导航和李滚老师的航空航天技术，今年又选修了你的课。课上知晓你的结业论文是关于导航发面，有所兴喜。可是科大的网站设计不敢恭维，试验了好久都无法正常引索，或者是无法查看原文，只有一个摘要。所以我就网上查找了几篇有关星级导航定位方面（主要是伊卡洛斯星级导航工程）的论文，写出来我的感想。 1961年4月12日莫斯科时间上午9时07分，前苏联宇航员加加林乘坐东方1号宇宙飞船从拜克努尔

2、发射场起航，在最大高度为301公里的轨道上绕地球一周，历时1小时48分钟，于上午10时55分安全返回，降落在萨拉托夫州斯梅洛夫卡村地区，完成了世界上首次载人宇宙飞行，实现了人类进入太空的愿望。航天航空技术就在美苏两国的争霸的背景下，飞速发展。1969年7月20-21日，美国“阿波罗”11号飞船载着三名宇航员飞往月球，其中阿姆斯特朗与奥尔德林成功登上月球，首次实现人类踏上月球的理想。此后美国又相继6次发射“阿波罗”号飞船，其中5次成功。总共有12名航天员登上月球。在20世纪末21世纪初，经过二十多年改革开放的中国奋起直追，成功发射了一系列的神舟系列飞船，并开始了探月计划。可以说，人类的脚步正在从

3、地球通往太阳系，甚至银河系。人类为此发射了许多探测器。但是正如伽利略所说，一艘航行在平静大海的船无法知晓它的状态。在星际航行的探测器同样无法知晓它们的状态和位置。所以说，定位技术的研究对航天航空的发展具有重大意义。 引文中出现一种在想象中的情形：使用恒星或者宇宙射电信号进行导航，通过测量相对天体的角度来定位和测速，这也是当前行星际航行的导航方式。然后用引力大小代表飞船使用行星引力场进行初始段的加速，这也是旅行者探测器的飞行技巧，其也被称为天体引力导航技术。 可是，由于地球自转和公转的影响，观测到的天体似乎出现明显的运动，但是这些恒星或者星系都距离非常遥远，可以说是挂在天上不动的，这就是现代以及

4、未来星际导航的基本理论基石。但是随着飞船越来越接近即将前往的恒星，由于“视差效应”（参考注释1），飞船无法知晓自己的速度和位置。在该工程中，飞船导航节点上还有一个中期轨迹修正，以前确保对目的地的准确指向。当飞船靠近目标星系时，飞船将释放一个探测器对这个恒星系统中的一个行星进行探测。除此之外，由于计划还处于项目讨论阶段，还没涉及到具体的飞船制造，所以可以采用多种方式进行飞船改进，特别是在现代化的制导和导航仪，以及恒星跟踪仪（参考注释2）、姿态传感器等都可以为飞船提供精确的目的地指示和抵达时精确的减速。但是如果飞船进行到减速阶段时，飞船的导航控制将转为自动导航，不再需要人工控制了。可以让飞船自动航

5、行。通过飞船自带的强大计算机系统，对感应器所接收的数据，进行分析，计算，并发出指令。这可以防止人类宇航员由于视觉效应做出错误的判断。也就是说：这是一艘名副其实的全自动探测飞船，因为目标恒星距离我们太远，将近4光年的距离不可能进行人工控制。飞船将在自主导航下对行星进行探测，这一切对导航系统也提出了更高的要求，例如要求精确提供目标恒星中各个行星的轨道参数等。这也带来了许多的问题。 最后，文章中提到了另一个问题，通信问题。地球和飞船要跨越几十光年的距离进行通信，并且还要将数据传回地球，可以利用激光传输。但这仍然是一个非常难以解决的问题。引文最后提到了一个可行的设想是：在路途上提前发射多个探测器，作为

6、中继制导的导航站，这就是“星座导航”（参考注释3）模式。在我看来，这就像人类日常生活中，通过建造数以万计的信号中转站，将信号从遥远的A地传到B地。通过一个个的导航站，飞船得以不断地前进，矫正方向，最终到达目的地。 我相信随着航天航空技术的日益发展，不远的将来我们必定能够克服导航定位的问题，随意遨游在星际间。注：*伊卡洛斯工程是一项由Tau Zero基金会和英国星际学会牵头的星际航行工程，最终目标是建造一艘具备恒星间航行能力无人飞船，前往距离太阳系最近的恒星系统进行勘察，理论上星际航行将耗时100年;1,人以左右眼看同样的对象，由于两眼间存在一定的水平距离，两眼所见角度不同，在视网膜上形成的像并

7、不完全相同，如附图左右双眼同时观察一方柱所得的像，主要在水平方向上存在一定的差别，这种现象就是双眼视差；这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉，也就是使能产生深度（离观察点距离远近）的感知 2，星体跟踪器是一种装有光电装置或者照相机用来测量星体坐标的光学装置；3,天上的星星（星座）有相对固定的运行轨迹，古时远舫的水手就是靠着观看星星的方位来确定自己的航向，这就叫星座导航。引文1探秘伊卡洛斯：人类第一个星际航行计划(图)在地球轨道上进行组装的飞船 据国外媒体报道，由Tau Zero基金会和英国星际学会牵头的伊卡洛斯星际航行工程，最终目标是建造一艘具备恒星间航行能力无人

8、飞船，前往距离太阳系最近的恒星系统进行勘察，理论上星际航行将耗时100年。该计划目前正在进行之中，以下通过一些片段对该计划行一个较为直观的了解： 在目的地的定位上，一直是伊卡洛斯计划的意义所在，科学家将通过天文观测，对太阳系周围15光年距离内的恒星系统进行一次较为全面的了解，在整个范围内确定目的地，还将对目标恒星系统内的行星做充分的研究，这是为飞船达到目的地前得减速做准备工作。减速过程主要使用飞船动力系统的反推作用和太阳帆等减速方法，以及利用各行星间的引力作用减速。这就必须对目标恒星系统内部各种轨道参数有一个全面的掌握。 由于路途遥远，无人飞船体积可能较为庞大，这就需要在地球轨道上进行组装，飞

9、船的组装可以在一个环形结构中完成（图），就像国际空间站一样。动力方面，飞船使用大量的氦同位素作为动力，氦-3在地球上很少，但是在月球以及气态行星（木星）上蕴藏量丰富。科学家认为采集木星氦-3的方式可以用一根“空心绳”，在轨道上将木星大气中的氦-3吸取上来，由于这根“空心绳”还切割木星磁感线，所以还可以用来发电。在星际航行过程中，姿态控制和导航相当重要，科学家设计了出发的方法：操纵飞船向太阳移动，然后快速全功率背向太阳运行，即“轨道弹弓”，利用太阳引力进行加速。由于靠太阳近，还可以使用太阳帆进行推动。另外，航行途中抛弃的燃料箱将作为中继通信站，科学家倾向于使用同位素发电机（已在旅行者探测器上使用

10、）。针对航行途中发生的故障，研究小组决定在飞船上设计自主式机器人和机械臂，后者的技术已经相当成熟。经过漫长的星际航行和减速后，需要进行哪些科学探测，还要根据空间望远镜对目标恒星系统进行观测研究后的结果决定。有一点可以肯定的是，飞船抵达目的地后，将释放探测器对相关行星进行着陆探测，目前在太阳系内行星上着陆，主要使用降落伞和气囊，还有反冲发动机，这些都是较为成熟的技术储备。但是要保持飞船上各系统在100年后还能正常工作，这需要在设计、制造和测试上有着严格的控制标准。伊卡洛斯星际航行工程的实施，显然需要巨额的资金支持，且该计划在时间跨度上较长。但是其是人类真正将星际航行作为一项计划付诸实施，是人类真

11、正踏出太阳系，探索恒星际空间的重要一步，这也是其意义所在。引文2 伊卡洛斯工程：人类如何在恒星际空间中导航导读伊卡洛斯星际航行工程的科学家正在研究宇宙飞船如何在数光年远以及高速运动状态导航与定位的问题。伊卡洛斯星际航行工程是一个人类星际航行计划，旨在发射一艘无人飞船进行星际航行，并前往距离地球最近的一颗恒星。该计划由Tau Zero基金会与英国星际协会负责运行，并且有一批致力于人类星际航行梦想的科学家进行飞船的研发。英国星际协会兼伊卡洛斯航行计划的科学家Rob Swinney，主要负责飞船在星际航行中的导航与空间定位问题，目前其研究范围缩小在以12%的光速飞行时，如何对飞船进行导航。伊卡洛斯飞

12、船的一个探测器释放着落系统你可以想象一下这样的情景：柯克船长率领星际舰队的“企业”号飞船对抗外星人攻击时下令：“250标记星，引力7，曲速3.5”。利用时空扭曲进行星际旅行。然而，柯克船长所说的，“250标记星，引力7”是什么意思呢？这就是一种星际导航以及方向确认的命令。但这毕竟是电影中的场景，而其体现的则是使用恒星或者宇宙射电信号进行导航，通过测量相对天体的角度来定位和测速，这也是当前行星际航行的导航方式。而后者则是代表飞船使用行星引力场进行初始段的加速，这也是旅行者探测器的飞行技巧，其也被称为天体引力导航技术。星际导航问题早在上世纪70年代就困扰“代达罗斯计划”，当时希望研究出核动力引擎作

13、为宇宙飞船的动力，并以此前往6光年之遥的巴纳德星，由于人类航天水平确实跟不上理论中的计划，而且星际导航的问题需要强大的空间观测能力做铺垫。在GPS导航系统还未问世前，进行长途旅行主要依靠指南针、天体运行位置等辨认方向，而通过观测天体位置是一种古老又现代方法。由于地球自转和公转的影响，观测到的天体似乎出现明显的运动，但是这些恒星或者星系都距离非常遥远，可以说是挂在天上不动的，这就是现代以及未来星际导航的基本理论基石。但是，这里就有出现了个问题：进行恒星际的航行，所前往的恒星距离飞船越来越近，要想得知此刻飞船的位置和速度就非常棘手。就像代达罗斯飞船抵近巴纳德星时，这个时候巴纳德星就不能作为导航星了

14、，由于“视差效应”作用，最近的恒星会出现位置上的移动，也就是说飞船要重新选择新的导航星以推算自己的位置。另外，以当时的技术条件，精确测量地球与巴纳德星之间的距离也成为一个严重问题，并且对巴纳德星周围的恒星同样没有精确的距离，误差可以达到10%，这个误差对星际航行而言是非常致命的。而除了这点外，要知道飞船现在是以极高的速度进行飞行，据代达罗斯计划科学家Geoff Richards介绍：按设计的思路，飞船目前是以12%的光速进行高速航行，对其进行精确控制的非常必要的，科学家目前已经计算出其相对应的状态方程，以在这个速度下进行航向的调整。这些前人的积累以及数据的修正都被纳入未来的星际航行计划中，这其

15、中也包括伊卡洛斯计划。同时被伊卡洛斯计划借鉴的还有：除了长时间的宇宙航行，代达罗斯飞船导航节点上还有一个中期轨迹修正，以前确保对目的地的准确指向。当飞船靠近巴纳德星系统时，飞船将释放一个探测器对这个恒星系统中的一个行星进行探测。这上世纪70年代，没有人会相信按正常的科技发展这个技术会实现，然而现在在伊卡洛斯计划中，我们的探测器系统将变得越加成熟。我们目前已经能通过现代化的空间观测网对目标恒星的具体情况进行详细的研究，可以精确地确定其距离和位置，这些都将对伊卡洛斯计划产生深远的影响。除此之外，由于伊卡洛斯计划还处于项目讨论阶段，还没涉及到具体的飞船制造，所以可以采用多种方式进行飞船改进，特别是在

16、现代化得制导和导航仪，以及恒星跟踪仪、姿态传感器等都可以为飞船提供精确的目的地指示和抵达时精确的减速。但是如果伊卡洛斯飞船进行到减速阶段时，飞船的导航控制将转为自动导航，不再需要人工控制了，也就是说：这是一艘名副其实的全自动探测飞船，因为目标恒星距离我们太远，将近4光年的距离不可能进行人工控制。飞船将在自主导航下对行星进行探测，这一切对导航系统也提出了更高的要求，例如要求精确提供目标恒星中各个行星的轨道参数等。让飞船进行全自主的飞行后，接下来会发生的情况就不在设计师的控制范围之内了，飞船将释放探测器并自动导航降落在太阳系之外的行星上，虽然这是激动人心的时刻，但是这一切都是在未知环境中进行，没人

17、知道会发生什么。与飞船上其他系统一样，导航系统将需要工作长达100多年，不仅要能自动处理设备故障，同时也要抵御复杂不利的星际空间。而像代达罗斯计划中的导航设备，只能确保在15年内不出现故障，飞船则需要自动机器人和一堆的零部件进行更换，这也是伊卡洛斯飞船航行中需要解决的问题。其中一个可行的设想是：在路途上提前发射多个探测器，作为中继制导的导航站，这就是“星座导航”模式。“星座导航”模式的最大优点是：如果整体式的导航系统出现故障，那整个飞船航行就失败了，而由许多导航探测器组成导航网不会受到全军覆没的危险，而探测器上的小发动机还可以为飞船减速提供动力。这种星座模式导航可能将使用干涉网平台进行联网。另

18、一个关于导航的问题就是如何与地球通讯。不仅飞船航行时需要有通讯设备，而且到达目标恒星进行探测后也要把数据传回地球。科学家准备了40米直径的天线进行通讯，而且还要保证天线要精确指向地球，这对飞船在另一个恒星系统中的定位又提出了更高的要求，这事也星际航行计划真正挑战之处。目前也有研究表明：利用激光进行星际通讯可以增加伊卡洛斯飞船的数据传输量。总之，对于梦想踏上宇宙航行时代的人类而言，解决空间导航和制导定位问题不仅是伊卡洛斯要完成的任务，而是大宇航时代必须逾越的技术难题。 引文3科学家:星际航行将是人类文明的巅峰 8月15日至18日，近200名星际科学家、工程师、天文学家、历史学家、经济学家、建筑师

19、、艺术家、人类学家和星际航行的狂热爱好者聚集在达拉斯，共同参与首次星际航行会议，该会议由非营利组织伊卡洛斯星际机构举办，探讨人类进行星际航行的可行性。为期四天的会议得出了许多阶段性成果，其中一个结论认为人类作为目前唯一已知的宇宙文明，需要前往其他恒星系统探索，冲出太阳系。抵达其他恒星系统的行星上，要将人类文明的所有潜力发挥出来，否则文明发展的目光只会变得越来越浅，局限性越来越大，因此未来人类文明必然向深空演化。 科学家认为星际航行将是人类文明的巅峰之作，随着太空化进程不断推进，太空探索已经不再是一种奢侈品，人类也需要不断进化，适应太空环境。除了人类自身的因素外，我们还需要在星际航行技术上有所进

20、步，进行星际航行是一项庞大而复杂的工程。我们经常听到“建造一艘星际飞船”的报道，更多时候这些项目还停留在纸面设计上。如果有一天人类制造出了星际飞船，那就是无数代人努力的结果。这就像过去古人建造的伟大建筑物一样，也是后人在前人基础上继续建造的，最终完成了建造。 从某种意义上看，造星际飞船如同造金字塔，庞大的工程可能需要上百年才能完成，很多参与建造恒星际飞船的建设者将不会看到它完成的面貌。对此，会议上有科学家认为可以先采取无人星际探测器的方案，对太阳系周围的恒星系统进行调查，金融学家Armen Papazian认为经济可能是制造星际飞船的瓶颈，比如NASA在1960年已经完成了登月，但是在政治经济

21、局势改变的情况下，我们似乎失去了持续探索外太空的动力。 会上，未来学家Heath Rezabek等人认为地球将面临小行星撞击的威胁，根据目前近地天体的监视结果预测，地球并不是一个天堂，当我们的文明还没有殖民到其他行星上时，应该发展出可防御天体撞击的技术。此外，本次星际航行会议还讨论了先进的推进系统、殖民火星、太阳能发电等发展计划。科学家相信，人类终有一天将可以像星际迷航中那样，自由穿梭于宇宙各个星系间。引文4Galileo, EGNOS Open Europes Road Ahead - By Tim Reynolds Road managers see a clear trend to GN

22、SS-enabled systems due to their flexibility, efficiency, and fast implementation. In the mass market, individuals around the world are creating vast quantities of location data and GPS traces using not only GPS, but also Russias GLONASS, Europes Galileo, Chinas Compass, and Indias Regional Navigatio

23、nal Satellite System. The value of this data and the value chains that produce it will increase significantly with an increase in interoperability of these satnav systems. Currently, non-interoperability represents a serious obstacle to the growth of the GPS market. The overall system-of-systems div

24、ersity of data formats, data models, processing models and associated custom- built one-to-one communication interfaces significantly inhibits introduction of new subsystems and also new GPS-dependent systems that would support development of future classes of stakeholders. “Many-to-many” networks b

25、ased on open standards can create interoperability as well as opportunities for the introduction of new technologies, value-added data products, and new users. To address this problem, sponsors of the 2012 Open Geospatial Consortium (OGC) OWS-9 Interoperability Testbed, including the U.S. National G

26、eospatial- Intelligence Agency (NGA), documented a set of use cases and associated interoperability requirements, selected strategically to address problems whose solutions would be applicable in a wide variety of GPS value chains. Technology providers participating in the testbed then implemented s

27、tandards-based solutions that addressed the requirements. These were documented in a draft Engineering Report, “Use of SWE Common and SensorML for GPS Messaging.” The document focuses on the use of the OGC Sensor Web Enablement (SWE) Common Data 2.0 encodings to support an interoperable messaging de

28、scription and encoding for the next-generation GPS message streams into and out of processing services that provide improved GPS navigation accuracy. Standards. The OGC Sensor Web Enablement (SWE) suite of standards specifies models and XML encodings that provide a framework within which the geometr

29、ic, dynamic, and observational characteristics of all types of sensors and sensor systems can be defined. Furthermore, through standard web-service interfaces, one can task sensor and actuator systems and have immediate access to observations and alerts. SWE standards, now widely implemented around

30、the world, enable developers to make all types of networked sensors, transducers, and sensor data repositories discoverable, accessible, and usable via the Web or other networks. OGC standards are downloadable at no charge, for use by anyone. OGC Testbed The OGC OWS-9 testbeds OWS Innovations thread

31、 included a hands-on prototyping activity that addressed a particular set of interoperability requirements related to GPS accuracy. GPS relies on accurate knowledge regarding the position, measured time, and state of the satellites, provided to GPS devices and processing centers in the form of satel

32、lite ephemeris data and status reports. The accuracy of the system relies on communication between the satellites themselves, the data collection systems, the data processing centers, and the GPS devices that ultimately determine their own location. This communication is through various data streams that consist of predefined message structures and encodings. The accuracy of the positions deriv