太空飛行器導航就是給出受控太空飛行器的位置矢量和速度矢量以確定太空飛行器軌道的方法和過程。它主要完成的工作有，（1）確定當時的太空飛行器在軌道上的位置和速度；（2）計算未來的太空飛行器軌道和著陸點，以及所需機動的初始條件。
按照導航數據的獲得是否依賴於地面設備的支持，太空飛行器導航基本可分為自主導航、非自主導航2大類。常見的非自主導航有利用地面站對太空飛行器進行跟蹤測量並完成軌道確定和利用跟蹤與數據中繼衛星進行測軌兩種方法。自主導航是不依賴於地球上或其他天體上的人造設施的軌道確定方法，有天文導航和慣性導航等。如美國的“全球定位系統”衛星和俄羅斯的“全球導航衛星系統”衛星就採用自主導航。
基本介紹
- 中文名：太空飛行器導航
- 外文名： spacecraft navigation
簡介,發展,分類,導航設施,
簡介
人類依賴天體、日、月、星辰作為導航的依據已有數千年歷史。中國最早發明指南針，這是人類第一個導航工具，後來產生了羅盤，世界上第一個羅盤出現距今大約700年。羅盤出現後，隨之而來的是六分儀，世界上出現第一隻六分儀約在400年前。這種技術已經發展成為現在的空間六分儀，開始套用在太空飛行器上。
太空飛行器導航就是軌道確定。它回答以下問題：“太空飛行器在哪裡？朝什麼方向飛行？飛行速度是多少？”這些都屬於太空飛行器運動學的幾何學性質問題，因此需要選定一個參考坐標系以及在這個坐標系中太空飛行器等運動物體的定位方法。對地球衛星來說，如果求出在地心慣性坐標系中太空飛行器的三維位置及3個速度分量,就可以很方便地轉換成人們所熟悉的軌道六要素。
太空飛行器導航被劃分為兩類問題：姿態確定和軌道確定。相對於CIRS姿態 確定採用星跟蹤器，相對於太陽的姿態確定採用日感測器，相對於地球的姿態確 定則採用水平感測器。三軸陀螺儀用於穩定從其他感測器獲得的結果。地球低軌道衛星也可以使用多天線GNSS定姿技術。
軌道確定是基於力學模型，並輔以距離測量星際飛行器和衛星都是 如此。圖18.7說明了太空飛行器的主要受力情況。多個天體的引力必須得考慮。 太陽輻射壓力的影響取決於飛行器的方向，及其表面對太陽光譜的反射率和吸 收率。必須考慮來自地球、月球和其他星體的反射，如同必須考慮從太空飛行器的一 部分到另一部分的反射。建立了完善的模型，不用新的測量，在一個完整的軌道上衛星位置的預測精度可達到幾米。
在地球軌道上，距離測量可使用GNSS、都卜勒無線電定軌定位系統(Doppler orbitography radiopositioning integrated by satellite,DORIS)、雷達跟蹤以 及衛星雷射測距（satellite laser ranging,SLR)，其中衛星雷射測距使用地球上的 雷射器和基於衛星的反射器來實現距離測量。在空間使用的GNSS接收機， 必須考慮在軌道速度上更大的都卜勒頻移、信號強度的更大變化、大氣傳播誤差 的不同以及信號在負衛星高度角時的可用性問題。和所有的空間硬體一 樣，它們必須能夠抗輻射和極端溫度。
星際太空飛行器可以通過多站通信鏈路雙向測距、脈衝星導航以及觀測行星 和衛星的方向來實現。
在兩個太空飛行器交會對接的運動控制過程中需要相對導航，即確定它們之間的相對位置和相對速度。導航的主要目的是實現軌道控制。有時也需要利用導航信息來給出太空飛行器上有效載荷所需的指向和處理有效載荷的數據。載人太空飛行器中需要通過儀表向航天員顯示導航參數。不同用途對導航參數的要求不同，例如姿態確定常常要求知道軌道根數，返回控制常常要求知道太空飛行器相對於地球的位置和速度。
發展
截至目前，在眾多的空間任務中，人們廣泛依賴地面導航方式進行絕對定位、雷達測距方法和光學跟蹤方法均是被較多使用的地面導航方法。地面跟蹤系統有一個顯而易見的優點，那就是不必在太空飛行器上安裝主動設備，由於地面跟蹤系統處於複雜的電磁干擾環境中，因此，需要進行大量的地面操作並對測量的數據進行精細分析。當太空飛行器與地球相距越來越遠時，使用雷達導航系統也將導致太空飛行器的位置估計誤差反增不減。為了實現必要的距離測定，雷達系統需要知道地面觀測台的精確方位。套用雷達系統的另一個受限因素在於，雷達系統還需要知道太陽系目標的方位信息。然而，即使已知雷達站和太陽系目標的精確信息，飛行器的位罝估計也僅在有限角度範圍內是精確的。雷達發射波束連同反射信號一起以不確定錐形體形式傳輸出去,需要指出的是，這種傳輸方式導致飛行器的位罝信息在距離函式上呈線性下降趨勢。執行深空探測任務或星際飛行任務的眾多太空飛行器，可通過為太空飛行器搭載主動式發射器來實現軌道確定的目的。太空飛行器在接收地面觀測台發出指令的同時，也會將信號發回地球。隨後，接收站通過測量傳送信號的都卜勒頻率計算徑向速度。儘管這些系統的使用實現了太空飛行器導航任務方面的許多突破，但該方法仍存在一些問題不容忽視，即隨著距離的增加,誤差問題也隨之出現。在早期的試驗中，Viking太空飛行器利用跟蹤設備作為導航系統，結果表明，在火星探測任務中，太空飛行器的位置估計誤差精度達到50km;在帶外行星探測任務中，太空飛行器的位置估計誤差精度達到幾百千米。
人們常用的第二種地面導航方法可稱作光學跟蹤方法。基於光學跟蹤測量的太空飛行器導航方式與雷達跟蹤測量方式類似,光學跟蹤測量方法主要是通過可見光反射到太空飛行器上來確定太空飛行器的方位。對於一些光學測量方法，首先需要採集圖像，在完成圖像分析並將圖像與恆星背景比較後，才能夠計算得出太空飛行器的位罝。也就是說，利用此系統實現實時測量是很不容易的。除此之外，光學測量方法還受到環境條件的約束。
目前眾多的探測任務都是圍繞行星探測開展起來的，通過採集行星的視頻圖像並將視頻圖像與已知的行星參數進行比較實現太空飛行器導航，這些已知的行星參數主要包括該行星的直徑和相對於其他天體的位罝參數。如此一來，便可以得出太空飛行器相對於行星的方位信息，不過使用該方法獲得太空飛行器方位信息有個前提條件，必須保證太空飛行器在觀測星附近。
如何能夠實現深空探測任務的精確絕對導航呢？一般認為地面雷達測距與機上行星成像兩種方式的有機結合可以有效地解決這一問題，不過這種方法是在人機互動並對數據進行分析的基礎上進行的。此外，由於雷達測距誤差變化與飛行器和地球間的距離變化成正比例關係，隨著飛行器距離地球越來越遠，雷達測距誤差也就越來越大，由於需要知道地面天線的精密指向精度，精確導航也變得更複雜了。另外，飛行器需載有用於導航的視頻圖像處理系統，不過機上系統的存在導致成本增加，同時飛行器與天體間的距離要足夠近，圖像處理過程才能展開。因此，為實現整個太陽系甚至整個銀河系的精確絕對導航，對可供選擇的探測方法展開研究是非常有必要的。
飛行器鄰近地球飛行時,GPS系統可以實現完全自主導航模式。GPS系統藉助於24顆或32顆中髙軌道衛星組成的星座陣傳輸微波信號，該星座陣幫助GPS接收器確定自己的方位、速度、方向和時間。然而，當飛行器距離地球較遠時，GPS系統將無法為飛行器提供全而的服務。
大多數飛行器在進行深空探測任務時會選擇深空網（DSN)。深空網是一個國際化的天線網路，該網路包括探測太陽系及宇宙的射電天文觀測台、雷達天文觀測台，能夠幫助實現星際飛行探測任務。深空網還能夠執行選定的近地軌道任務。深空網由三個深空通信設備組成，這三個通信設備分別以約120°角分布在全世界的三個角落：加利福尼亞州莫哈韋沙漠的Goldstone、西班牙馬德里周邊以及澳大利亞坎培拉附近。這種布局安排具有很重大的戰略意義:一方面，即使在地球旋轉的情況下，這種分布也能實現太空飛行器的持續觀測；另一方面，這種分布方式的出現使DSN成為了世界上最大、最靈敏的通信系統。
雖然深空網能夠提供精準的徑向位置，但繁多的地面操作和地面觀測台的協調安排依然是必不可少的。即使使用了干涉測量法，角度的不確定性情況也會隨著距離的增加越來越明顯。一般以1km~10km為單位來表示太空飛行器與地球間的距離，藉助於深空網的甚長基線干涉量度法（VLBI)可以得到位罝精確度。甚長基線干涉量度法是天文干涉測量法在射電天文學中套用的一個實例。將多台望遠鏡組合成一台望遠鏡來觀測一個天體，這台望遠鏡的尺寸相當於望遠鏡之間的最遠距離。將每個天線陣列接收到的數據與時間信息匹配（通常使用的是當地原子鐘），並將匹配信息儲存在磁帶或硬碟上以備後續的數據分析。後期，將此數據與其他天線記錄的數據做互相關處理，並獲取結果。利用干涉測量法，該方法的精度與觀測頻率及天線陣中天線的最遠距離成正比例關係。相對於傳統干涉測量方法而言,VLBI技術可以大幅提升天線陣列中天線的最遠距離，為了實現這個技術，必須利用同軸電纜、波導、光纖或其他無線傳輸介質實現天線之間的連線。
分類
太空飛行器軌道確定基本上可分為兩大類：自主和非自主。非自主測軌由地面站設備，例如雷達，對太空飛行器進行跟蹤測軌，並且在地面上進行數據處理，最後獲得軌道位置信息。相反，若太空飛行器的位置和速度等運動參數用星上測軌儀器（或稱導航儀器）來確定，而該儀器的工作不依賴於位於地球或其他天體的導航和通信設備，那么軌道確定（空間導航）則是自主的。
過去,絕大部分太空飛行器都採用非自主測軌。由於這種方法存在很大局限性，它要依賴地面站，而一個地面站跟蹤衛星的時間是非常有限的。如果要連續跟蹤衛星，則需要相當數量的地面站。例如要求地面站100%時間覆蓋太空飛行器，當軌道高度為270km時，需要56個站；當高度為800km時，也需要設20個站，而且這些站都要求理想分布，其中大多數站勢必在國外或海上。由此可見，用增加地面站的辦法來跟蹤低軌道太空飛行器100%的軌道時間是不經濟的，甚至是不現實的。但若不能連續跟蹤太空飛行器，則測軌只能利用一段軌道數據處理技術，當設站不夠多時，測軌精度很低。
自主導航存在兩種方式：被動或主動。被動方式意味著與太空飛行器以外的衛星或地面站沒有任何合作，例如空間六分儀；而主動方式意味著與太空飛行器以外的地面站或衛星（例如數據中繼衛星）有配合，例如全球定位系統.另外還存在一個問題需要考慮，即太空飛行器自主軌道確定與姿態確定是相互關聯或者互相獨立的，一般說來由於軌道比姿態變化緩慢的原因，希望軌道確定和姿態確定互相分開，特別在精度要求很高的場合.但是有許多敏感器，例如空間六分儀、陸標跟蹤器、慣性測量部件、太陽和星敏感器等，既可以作軌道確定系統的敏感器，同樣地也可作姿態確定系統的敏感器。根據這些敏感器所得到的信息，設計相應軟體，經過計算機進行數據處理和計算，就可以得到有關軌道和姿態的數據.在這種情況下，姿態和軌道確定是相關聯的。
空間自主導航系統按它的工作原理可分為五大類。
（1）測量對於天體視線的角度來確定太空飛行器的位置:這基本上是屬於天文導航方法。在這種導航系統中，太空飛行器首先測定它對地球表面的當地垂線，然後以此為基準分別測量3個彼此獨立的已知星體的角度.根據這些測量數據就可推算出太空飛行器的位置和姿態信息。
天文導航系統是以天空的星體作為導航台、星光作為導航信號的測角定位系統。星體離太空飛行器很遙遠，這時很小的測角誤差就會產生很大的定位誤差。為了精確定位，除了要求高精度測角外，還要有高精度的方向基準，而且設備的價格昂貴，系統的工作受氣象條件限制。但是，由於星體離地面很遠，系統工作區域廣，可對在外層空間活動的太空飛行器進行導航，而且當太空飛行器在大氣層之上時，導航就不再受氣象條件限制。
（2）測量地面目標基準來確定太空飛行器的位置和姿態：這種系統要依靠地面控制點或陸標，而這些地面目標從空間是可以被識別出來的，地面控制點有很多形式，例如精確的光源、發射機、特徵或地面上特定的地區。雖然不同的系統探測地面控制點的形式各不相間，但從被測量的參數總是可以得到太空飛行器完整的位置和姿態的信息。
（3） 對已知信標測距：這類自主導航系統要依靠己知信標來測量太空飛行器到3個或更多已知點的距離，然後用三角法解出所求太空飛行器的位置。通過獲取由已知信標發射的某種形式的導航信號來確定距離，這種導航信號中包括有關發射機的位置和信號開始傳送的時間信息。然後接收機根據已知信號接收時間解出信號傳播時間，若信號傳播速度不變，則可以估算出距離。全球定位系統（GPS)導航就屬於這一類。
（4） 慣性導航方法：它主要由慣性測量裝置、計算機和穩定平台（捷聯式沒有穩定平台）組成。通過陀螺和加速度計測量太空飛行器相對於慣性空間的角速度和線加速度，並由計箅機推算出太空飛行器的位置、速度和姿態等信息.因此慣性導航系統也是太空飛行器的自備式航位推算系統。
慣性導航系統具有抗干擾、抗輻射性（如電磁波和光波）強，不受外界影響，導航精度也較高的特點，自主性很強，適用範圍廣。但是它有積累誤差，由於陀螺總存在漂移，導航精度會隨著系統工作時間的增加而降低，因而此種方法難於滿足長壽命太空飛行器的導航任務.另外，當太空飛行器在自由飛行時，慣性導航對加速度計靈敏度要求很高，大約須高於（10-8～-1-9）g以上的靈敏度，還要求準確的重力場數據。因此慣性導航適用於太空飛行器主動段。
導航設施
載人太空飛行器在太空飛行期間，空間導航設施起著重要的作用，它是航天交通網的“路標”。空間導航的主要任務是監測太空飛行器距目標的距離，飛行速度以及飛行方向的偏差，導航工作最主要的是進行跟蹤測量。
在載人航天的初期，大部分導航工作是由地球上的設備來完成的。太空飛行器本身只完成一小部分。後來由於導航技術的發展，載人太空飛行器本身完成的工作越來越多。可以預測，隨著現代計算機和導航設備的性能越來越先進，未來的載人太空飛行器會具有完全獨立的空間導航能力。
載人太空飛行器在飛行過程中，在不同的階段將採用不同的空間導航方法。目前主要的方法如下。
(1) 在太空飛行器地面控制行期間，可採用無線電測距和甚長基線測量法測速。太空飛行器可以採用慣性測量裝置、空間六分儀和光學星圖表，使航天員時刻都能知道自己的飛行狀態。
(2) 載人飛行器在軌道對接時，要進行機動飛行，時刻調整偏差，這時主要採用無線電測距和航天員目視跟蹤。
(3) 太空飛行器在降落期間可以釆用雷達測距和都卜勒測速。太空飛行器向地面降落時還可以採用著陸輔助設備。
太空飛行器的空間導航設備主要有地面導航設備和太空飛行器上的導航設備兩種。
太空飛行器在大多數階段都是靠地面導航設備來導航的，美國宇航局主要依靠地面雷達進行跟蹤測試，然後再根據信號計算太空飛行器飛行的距離，其精確度可達到幾米。
20世紀70年代，美國載人飛船在執行任務期間，主要依靠地面的跟蹤測量船，多艘跟蹤測量船可以構成一個太空跟蹤網。另外還有3個地面測量站，主要分布在加利福尼亞州、澳大利亞和西班牙，基本上覆蓋了全球。地面跟蹤站從無線電信號提取都卜勒速度和距離信息，並通過跟蹤站傳送到設在加利福尼亞的噴氣推力中心實驗室的中央計算機，然後對數據進行處理，以及時調整太空飛行器的速度及飛行姿態。
載人太空飛行器上的導航設備主要有慣性測量裝置、空間六分儀和光學定位系統。
慣性測量裝置最早套用于飛機導航，後經過改進又用到了火箭上，而後又經過適當改進被用在了載人太空飛行器上，用於測量太空飛行器的飛行姿態、所在位置和飛行速度。美國為“阿波羅號”研製的慣性測量裝置是一種典型的導航設備。它由3個常規陀螺儀和3個安裝在穩定平台上的加速度表組成。
空間六分儀用於測量瞄準線與各種星體間的角度，用此來測定飛行器的飛行方向。當恆星偏離六分儀的瞄準線時表明慣性測量儀需要重新對準。
光學定位系統利用目標周圍的恆星背景作為確定載人太空飛行器接近目標體的方向。同樣載人太空飛行器上也裝有目標測距裝置和都卜勒雷達，在飛行過程中，載人太空飛行器上和地面上的測量系統自始至終共同工作，以達到最高的導航精度。
空間導航與地面導航不同，飛行器的飛行軌道是預先設定好的，在飛行器飛行過程中通過各種儀器描繪出其實際的飛行軌道，然後對比其預先測定的軌道模型，及時修正飛行器的飛行姿態，以完成預定的任務。
