第八章航天器的导航与制导 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
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
81航天器导航的概念与分类 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 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
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 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 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
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
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
82航天器的自主导航系统 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
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。 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
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。 00:00:20 卫量写通讯 卫星与通信视频资料
(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 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 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
(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
(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
波段导 数信号 监测站注入站 「7 S波段注入数据卫星 用户 主控站 信 控制指令一 监测站 导「遥测空 /跟踪站 海军水面 武器中 监测站 卫星 试验中心 星控制设施 监测站 图8.2GPS系统组成方框图 图8.2GPS系统组成方框图
图8.2 GPS系统组成方框图