深空探测天文测距与测速自主导航方法

第1章概论 本章阐述面向深空探测任务的天文测距和测速导航的基本原理，其中天文测距导航包括传统的脉冲星导航和新兴的太阳到达时间差分（time difference of arrival，TDOA）测距导航。同时，简要介绍这三种天文导航方式的研究进展，并总结其特点。 1.1天文导航概述 深空探测技术是衡量一个国家综合国力和科技发展水平的重要标志。进入21世纪以来，美国、俄罗斯、日本等航天大国都将目光聚焦至深空宇宙，提出各自新的深空探测计划，并多次开展深空探测实验。我国已将探月工程列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中的十六个重大专项之一，并多次成功发射嫦娥探月卫星。2007年10月“嫦娥一号”成功探月，2020年12月“嫦娥五号”月球采样返回。探月工程成为中国航天事业的第三个里程碑事件。 我国于2020年7月发射“天问一号”火星探测器（图1-1），并于2021年2月被火星成功捕获。其搭载的“祝融号”火星车（图1-2）于5月15日成功登陆火星，标志着我国成为继美国之后，第二个成功在地外星体上着陆的国家。 在深空探测领域，导航信息对任务的成败至关重要。究其原因，只有根据导航信息，制导才能确定深空探测器如何到达目标天体[1]。目前，深空探测器的导航主要依赖地面站。受深空探测器与地球之间距离的限制，这种导航方式无法提供实时、高精度、稳定的导航信息。天文导航系统通过测量天体，并解算获得导航信息，可在不依赖地面站的情况下为深空探测器提供高精度、实时、稳定的导航信息，因此备受关注。 目前，虽然我国已经成功攻克了一系列深空探测技术难题，但是深空探测自主导航仍是一个技术瓶颈。深空探测自主导航轨道可分为发射段、转移段、捕获段。其中，捕获段*为关键[2]（捕获段以进入目标天体引力球为起始，以形成环目标天体轨道为终止，其中火星作用球半径约为50×104km）。究其原因，捕获段器上操作多，通信时延长，并且机会仅有一次。1990年后发射的深空探测器共失败7次，其中与捕获段直接相关的就有4次[2]。鉴于捕获段的重要性，美国和欧洲航天局（European Space Agency，ESA）都将捕获段自主导航作为研究重点[3，4]。 捕获段自主导航精度直接决定深空探测任务的成败[3-6]。在这一阶段，与深空探测器的绝对位置相比，深空探测器与目标天体之间的相对位置更为重要。究其原因，制导是根据深空探测器与目标天体之间的相对位置关系来控制飞行的[6]。在绝对位置转化为相对位置的过程中，目标天体的星历误差会严重影响转化结果。 深空探测器天文导航测量包括测角、测距和测速等三种测量方式。 测角导航是*传统的天文导航方式。其测量值是星光方向与近天体（如地球）方向间的夹角，即星光角距[7]。结合轨道动力学模型，通过卡尔曼滤波可以获得深空探测器的位置和速度。美国已将测角导航技术成功应用于深空1号、火星勘测轨道器、深度撞击任务等。同时，ESA也在积极研究捕获段自主导航技术，并实现了地面验证。国内测角导航方面的研究起步较晚，但发展迅速。北京航空航天大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、中国航天科技集团有限公司均开展了相关研究工作。在深空探测捕获段，利用三颗及以上恒星可确定深空探测器相对于目标天体的方位信息。但是，该方式无法直接提供深空探测器相对于目标天体的位置、速度信息。这一缺陷使其在捕获段精度受限。 传统的测距导航即X射线脉冲星导航[8]简称脉冲星导航。导航系统利用X射线敏感器收集X射线脉冲星的辐射信号，并处理这些信号获得脉冲星到达时间（time of arrival，TOA）。根据多颗脉冲星TOA，可获得深空探测器的位置矢量。在太空中，深空探测器都能接收到脉冲星辐射信号，该导航方式适合整个太空。但是，它的定位精度依赖X射线敏感器的有效接收面积和观测时间。受器载资源的限制，X射线敏感器的有效接收面积有限，因此该导航方式提供的自主导航信息精度和实时性受到限制。目前，该技术处于试验验证阶段。2016年，我国已成功利用天宫二号和X射线脉冲星试验卫星开展了验证[9，10]。 新型的测距导航是太阳TDOA测距导航[11]。考虑行星的反射光来自太阳，可通过比较太阳直射光和行星反射光，获得两个太阳强度波形的TDOA，并利用该TDOA实现定位。该方法能提供深空探测器相对于目标天体的距离这一重要信息。目前，我们仅提出太阳TDOA测距导航的基本理论框架，相关理论工作均未开展，如测量值的获取、测量模型的建立、组合导航系统的设计、导航系统的优化等。 测速导航方法采用光谱摄制仪测量太阳光谱的频移[12]。根据多普勒频移，可获得相对于太阳的多普勒速度。这种导航仅适用于太阳系。近年来，有学者提出利用恒星作为测速导航的光源。这样，测速导航便可适用于整个太空。通过积分速度，可获得深空探测器位置，但是不可避免地存在速度误差。这将会导致位置误差的累积，且无法消除。因此，测速导航只能作为辅助导航方式。目前，太阳多普勒测速导航处于理论研究阶段，我国也开展了相关的研究。 综上，测角导航技术*为成熟。天文测距导航和测速导航处于理论研究阶段和试验验证阶段。本书的研究工作正是基于国家重大战略需求，以火星探测为例，重点研究天文测距与测速导航及其组合导航，为实现实时高精度的深空探测自主导航奠定理论基础，并提供技术支持。预计，研究成果将在深空探测领域具有广阔的应用前景。 1.2脉冲星导航 脉冲星导航是新兴的自主导航方式，可在太空内提供长时间、高精度的定位信息。目前，该技术已成为深空探测自主导航领域研究的前沿和热点。近年来，我国在深入开展探月工程的同时，也开始实施以火星探测为代表的深空探测任务。我国虽已攻克一系列深空探测技术难关，但自主导航技术仍是瓶颈。鉴于其巨大潜力，中国航天科技集团有限公司第五研究院[13]、西安电子科技大学等科研院所和高校已对其开展了研究。 X射线脉冲星是一种高速自转的磁中子星，能够不断对外辐射稳定的、可预见的、唯一的X射线信号[14]。器载X射线敏感器接收脉冲信号，对其按脉冲星固有周期累积并处理即可获得到达深空探测器的时间tSC。该脉冲到达太阳系质心（solar system barycenter，SSB）时间tb可通过脉冲星计时模型预报得到。时延tb.tSC为脉冲星导航系统的基本观测量[15]。脉冲星导航的基本原理如图1-3所示[16]。n为脉冲星的方位矢量，c为光速大小，rSC为深空探测器相对于SSB的位置矢量，则c（tb.tSC）反映rSC在n上的投影。从多颗脉冲星视线方向上可得到多个观测量，再利用导航滤波器即可估计rSC。 受高速飞行的影响，脉冲星累积轮廓畸变，进而导致脉冲星TOA偏移。因此，第2章重点介绍我们在脉冲星周期和脉冲星TOA估计方面的研究成果。此外，卡尔曼滤波也是提升导航性能的有效手段。这是第3章的重点研究内容。 1.3太阳到达时间差分测距导航 在捕获段，深空探测器与目标天体之间的相对位置极其重要。在3种传统天文导航方式中，仅测角导航能直接提供深空探测器相对于目标天体的方位信息。测速和测距导航无法直接提供相对目标天体的位置信息。因此，若要实现三维定位，导航系统必须能提供深空探测器与目标天体之间的径向位置这一重要信息。 实际上，太阳光辐照度并不稳定，其波形存在大量波峰，特别是当太阳风暴、耀斑、黑子等出现时，可利用太阳光波峰波谷的TOA实现导航定位。但是，太阳光辐照度波动无法精确预报，无法为太阳光波峰波谷TOA提供参照。因此，深空探测器接收的太阳光波峰波谷TOA无法直接作为导航信息。考虑行星的反射光来自太阳，我们提出太阳TDOA测量法。该方法，通过比较太阳直射光和行星反射光，获得两个波形的TDOA，进而实现定位。 虽然太阳光波峰波谷TDOA方法涉及太阳光、反射光、波峰和波谷等概念，但是为了简化表达，本书太阳TDOA不包含反射光、波谷等。 太阳TDOA测量的基本原理如图1-4所示。设太阳光子在t0时刻从太阳表面分两路发出，一路经直射路径在t1（t1>t0）时刻到达深空探测器；另一路经火星反射路径，在t2（t2>t0）时刻到达火星，在t（t>t2，t>t1）时刻到达深空探测器。深空探测器可获得太阳直射光和行星反射光的TDOA，即t.t1。以火星和太阳为焦点，到两个焦点的距离差为c（t.t1）的点的轨迹构成双曲面。深空探测器恰好处在该双曲面上。若太阳TDOA测量能与其他导航方式组合，并利用其他导航系统提供的先验信息，太阳TDOA测量法便可确定深空探测器相对于目标天体的径向位置信息。 目前，Ning等[17，18]和Liu等[11]在这方面开展了研究工作，仅构造出太阳光波峰TDOA自主导航的基本理论框架。相关理论工作均未开展，如测量值的获取、测量模型的建立、组合导航系统的设计、导航系统的优化等。测量值获取方法和测量模型是构建新导航系统的两大理论基石。太阳TDOA测距导航仅能确定一个曲面，无法提供三维位置信息，而组合导航可实现多种导航方式的优势互补，是解决这一问题的有效途径。可观度分析方法可以为系统优化提供理论指导。因此，若要实现太阳TDOA测距导航定位，必须解决上述基础理论问题。本书第5章重点介绍我们在这方面的研究成果。