NASA深空探测

1、未来未来2525年深空导航年深空导航未来25年的深空探测任务 “黎明”计划（小行星探测） 低推力，精确的光学导航 2007年9月27日发射，搜索灶神星和谷神星 火星科学实验室（火星车） 高地登陆，再入、下降和着陆，闭环控制下躲避障碍 2011年11月25日发射，2012年8月6日抵达火星 “朱诺”号木星探测器 Ka波段跟踪 2011年8月5日发射，预计2016年到达木星轨道 火星侦察兵计划 火星大气层导航20132013年年9 9月，美国航天局月，美国航天局2626日利用日利用“好奇好奇”号携带的样本分析仪，将其登陆号携带的样本分析仪，将其登陆火星后获得的第一铲细粒土壤加热到火星后获得的第一铲

2、细粒土壤加热到835835摄氏度的高温，结果分解出水、二摄氏度的高温，结果分解出水、二氧化碳以及含硫化合物等物质，其中水的质量约占氧化碳以及含硫化合物等物质，其中水的质量约占2%2%。“好奇号”火星探测器“朱诺”号木星探测器未来25年的深空探测任务 火星导航卫星 超高频,X-波段、Ka波段或者光链路 火星取样返回任务 精确降落，爬坡，绕火星轨道探测、交会 火星侦察兵航空漫游车 火星大气探测 彗星取样 不可预测环境下进行接近操作，飞行轨迹和姿态控制相互作用，精确降落 带外行星轨道探测器 三体导航、放射环境、气动捕获未来二十五年的深空探测任务 多航天器望远镜 精密编队飞行 金星原位探索 金星的再入

3、、下降和着陆段，火星大气层导航 人类登陆火星 载人可靠性的验证 带外行星登陆 三体导航，放射环境，再入、下降和着陆深空导航任务所面临的主要挑战 对自主导航的更多需求。很多任务需要快速更新的闭环控制，如果地面必须在控制回路中，这些任务将无法完成。 更多地使用原地导航以及光学导航，这些导航利用原地的资源，增强了自主导航和近距离操作的能力。 更多地使用三体或者四体动力学下的低推力推进和低能量传递，将更多的仪器载荷传送到目标。 愈发需要更高精度的导航、制导与控制，并利用更高分辨率的仪器，来实现定点着陆。深空导航任务所面临的主要挑战 愈发需要飞行轨迹与姿态控制的集成，来实现大气辅助操作、低推力导航、小星

4、体接近操作以及编队飞行。 除此之外，仍需降低高性能导航系统的成本与风险，这要通过生产轻质，低成本，高可靠性导航元件来实现。推行战略 增进无线电测量跟踪能力 扩大光学导航的使用 开发通用的自主导航能力 改善频率和时间子系统 研发原位无线电跟踪测量系统 探索深空导航的新方法增进无线电测量跟踪能力无线电跟踪测量系统是用无线电波在地面和探测器之间传递各种信息。地面向探测器发送的信号称上行信号；飞行器向地面发送的信号称下行信号。工作原理：发射机产生的无线电信号由天线定向辐射到目标所在的空间，再由地面接收天线接收飞行器转发或发送的下行信号，经接收机检测，比较上、下行信号或下行信号的变化，即可测出飞行器相对

5、于地面测控站的角度、距离和距离变化率等参数，确定飞行器的空间位置和速度。连续进行这样的跟踪测量即可得出飞行器的弹道或轨道。增进无线电测量跟踪能力 转变到Ka频段 与其他深空探测天线运营商合作转变到Ka频段 优势 受带电粒子效应影响小，并且有更小的测量噪声。 Ka波段的无线电频率资源更加紧凑，而且深空Ka波段的波谱配置500MHz频率是X-波段的50MHz波谱配置的十倍。 问题为了能够最大限度地使用Ka波段跟踪，很有必要： 提高中性介质以及地球方向校准的精度与及时性。 需要获得更精确的类星体列表作为Ka波段源。使用NASA的DSN只能实现VLBI一天两次地在两个某些狭窄的瞬时窗口跟踪一个航天器，

6、而两个DSN地面站复合工作时对航天器能够达到相同的能见度。与其他深空探测天线运营商合作与其他深空探测天线运营商合作 合作的好处通过使用附加的非DSN的天线地点，我们能够获得： 更精确的观测几何关系。 通过使用相距很远的有相同近似经度的天线，可获得扩展的相同可见性，并且一般来说有很多附加的VLBI跟踪机会。扩大光学导航的使用 光学导航是通过探测器的光学导航相机拍摄行星等天体或星上的特征物体，经过计算获取探测器的位置和速度信息。 目前，光学导航已被广泛用于探测器的飞越任务和外行星登陆任务。 未来，除了继续开发兼顾费用、质量和动力的专用导航摄像机外，将重点对光学导航的自主着陆及障碍规避技术进行研究。

7、导航相机：“好奇”号在桅杆上装有两对导航用的黑白3D相机，每个有45度的视野。这种相机能协同主计算机工作并合成三维立体照片，让好奇号在行驶和移动机械臂时能及时发现并躲开障碍物。光学导航在“好奇”号上的应用避险相机：在四个角落的较低位置各装有一对避开障碍用的黑白3D相机，每个约有度的视野。它们主要用来防止“好奇”号意外撞上障碍物，并在软件的帮助下，让“好奇”号能够在一定程度上自主决定行走路线。开发通用的自主导航能力 在小行星探测器着陆过程中，由于小行星周围引力场复杂、测控信息匮乏、探测器与地面控制站通信延迟大等特点，使得小行星探测任务中的导航、制导与控制技术成为了小行星探测技术需要研究的重点之一

8、。 自主导航一方面能够减少传统导航方法在操作上的复杂性，降低成本，更重要的是自主导航方式不需要地面控制站的支持，给深空环境下进行实时导航提供了可能。自主导航作为一种验证技术首先被用于1998年发射的“深空一号”探测器上，探测器在巡航段的自主导航是基于导航相机拍摄带有恒星背景的小行星图像来完成的；在接近和飞越小行星段是基于目标天体图像的自主导航。1999 年发射的“星尘”号彗星探测器，在接近及飞越彗星过程中，自主导航系统利用拍摄的彗星图像，结合姿态确定系统及滤波技术，完成了飞越过程中的实时导航及对彗星尘埃的收集任务。目前的自主导航技术主要利用光学导航系统提供的数据。未来的自主导航系统将会用到激光

9、雷达，地面无线电测量等提供的数据。开发通用的自主导航能力改善频率和时间系统 通过使用超稳定（晶振）振荡器，改善系统频率稳定度，降低深空导航服务的成本，提高深空导航能力，而且能够更好地进行轨道预测。 通过逐步改进深空导航系统各子系统的性能，提高系统的整体性能，以满足新任务对导航系统的要求。研发原位无线电跟踪测量系统 原位无线电跟踪测量系统能够跟踪并测量飞行器运动轨迹、目标特性。它具有全天候、远距离探测、便于传送多种信息和实时处理等优势。 利用原位无线电跟踪测量技术，实现更高精度的轨道和位置预测，使导航系统的着陆设备更加简单，导航精度更加准确，传输速度更加快捷。X射线脉冲星是高速自转的中子星，具有极其稳定的周期性，被誉为自然界最精准的天文时钟。因此，脉冲星能够成为人类在宇宙中航行的“灯塔”，为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供自主导航信息服务。利用X射线脉冲星导航能够提供10维导航信息，包括3维位置、3维速度、3维姿态和1维时间。探索深空导航的新方法探索深空导航的新方法 利用高灵敏度的加速度计感应作用在飞船的非重力，进而实现对随机扰动的建模或者补偿。 解决方案：冷原子干涉仪。 冷原子的速度可以精确地控制在每秒几米左右,在系统集成和小型化方面有着明显优势.冷原子具有质量和传播时间长等