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中國學科發展戰略:深空探測與導航優先發展研究方向

中國學科發展戰略:深空探測與導航優先發展研究方向

深空探測與

導航

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深空探測是指進入太陽系和宇宙空間的探測活動,而導航是指有關物體位置的確定,它們是基本天文學最重要的應用領域。這兩部分既相互獨立又有一定聯繫,深空探測離不開導航,導航為深空探測指引了方向,且導航不僅包含深空探測航天器的測定軌和定位,還包含航空、航海以及空間飛行器(如導彈、人造衛星)等地球空間目標的定位。

深空探測包括太陽系內除地球以外的行星、衛星、小行星、彗星等的探測,以及太陽系外的銀河系乃至整個宇宙的探測。通過深空探測,能幫助人類研究太陽系及宇宙的起源、結構、演化和現狀,進一步認識地球環境的形成和演化,認識空間現象和地球自然系統之間的關係,從現實和長遠來看,對深空的探測和開發具有十分重要的科學和經濟意義。導航不僅包括深空探測所涉及載體的導航,也包括導彈、人造衛星和載人飛船等載體的導航,導航對國民經濟、國家安全和科學研究等都有著舉足輕重的地位,對的大國地位是非常有力的保障,其應用非常廣泛,發展前景十分誘人,是代表一個國家高科技水平的標誌之一。

深空探測是21 世紀人類進行空間資源開發與利用、空間科學與技術創新的重要途徑。20 世紀60 年代至今,國際上先後發射了250 多個行星際探測器,有發向月球的,也有發向金星、水星、火星、木星、土星、海王星和天王星等各大行星的,以及指向地球及周邊環境的,通過這些深空探測活動所得到的關於太陽系的認識極大地超過了人類數千年來所獲有關知識總和的千萬倍,深空探測逐漸成為了世界各國航天領域的新熱點。根據2006 年公布的《航天白皮書》以及國家「十一五」規劃,深空探測將會作為近20 年來航天事業發展的主要內容,在成功實施月球探測的同時,適時開展火星探測將是未來深空探測的發展方向。隨著空間探測技術的不斷發展,小行星探測逐漸成為了深空探測的重要內容,開展小行星探測不僅有助於揭開太陽系起源與演化之謎,而且有助於促進空間科學與技術應用的發展,為新技術驗證提供平台。近年來,世界主要航天大國逐漸掀起了小行星探測的熱潮,多個國家和組織提出並制定了小行星探測的發展規劃。

要順利完成航天、航空、航海以及空間飛行器包括導彈、人造衛星等任務首要就是能夠進行精確導航,確定其載體自身的位置、速度、加速度、航向甚至包括姿態等導航參數。目前不論是民用航空、航海導航還是軍用的航空、航海偵查探測等任務對導航定位的精度、實時性、完好性、自主性、持續性和可用性提出了更高要求,因此需要進一步開展對航空、航海和航天飛行器導航定位的創新性研究,為的國家安全和國民經濟的進一步發展做出貢獻。目前,北斗衛星導航系統研發的成功為增加了一種獨立自主衛星導航的強大手段,為進一步組合多種導航系統提供自主、實時、高精度服務創造了條件。

優先發展研究方向

針對月球、火星等類地行星、小行星和彗星等深空探測計劃,結合國際天文學、空間科學發展趨勢和深空探測與導航發展現狀,確定以深空探測科學任務設計和導航新方法研究為主要目標,優先發展與深空探測科學任務相對應的軌道分析、設計與優化以及導航定軌理論、方法與技術,並開展深空探測資料分析處理和應用研究。以基本天文學的應用發展帶動深空探測的發展,在深空探測科學任務規劃、軌道設計與導航定軌理論方法研究以及深空探測資料分析處理和應用研究領域,打造在國際上有影響的深空探測與導航科研團隊。

同時,針對社會發展對導航技術的需求,以建立獨立自主的衛星導航系統為核心,結合國際導航技術發展的趨勢,以天地一體衛星導航系統的理論與方法為主,重點發展滿足近地與深空,通信與導航相結合的衛星導航系統以及相關的天文導航(包括光學、紅外天文以及脈衝星導航)、自主導航、組合導航技術,建立起適應經濟社會發展的多種重要導航技術,打造在國際上有影響的以基本天文學為依託的導航科研團隊。

一、深空探測科學任務規劃、軌道設計與測定軌

深空探測科學任務規劃、軌道設計與測定軌是天文學的傳統優勢領域,也是天體力學與測量學科的主要研究內容之一。深空探測是反映一個國家綜合實力的航天活動,除了能帶動一個國家的航空航天等領域的技術進步外,其科學成果的產出是評判其成功與否的最重要標誌。為此需進行下列研究:

(1)科學任務規劃。利用天文學的基本研究方法和手段結合其他空間科學等學科,綜合對深空探測進行科學目標設計與分析,圍繞原創性的科學研究成果進行深空探測的科學任務規劃,並對相應的科學探測儀器進行原理設計。

(2)軌道設計與優化。利用天體力學與測量以及人造衛星軌道理論等基本天文學研究成果,針對具體深空探測和近地空間飛行器任務進行軌道分析和設計,實現有關科學目標和任務的軌道及載荷設計。

(3)空間飛行器測定軌。首先需研究廣義相對論框架下的精細太陽系非線性動力學模型和時空參考系及其轉換問題,這是深空探測軌道設計的基礎;其次,航天器軌道動力學模型的精化,這是提高深空探測軌道精度的關鍵;最後,深空探測飛行器測軌技術研究,除了重點發展已用於探月的地基VLBI,探討其他導航技術用於深空探測的可能和精度如自主的DORIS 測量、天文導航、行星際激光測量、天基VLBI 測量的可能等,提高深空探測航天器的軌道確定精度。

二、航空、航海以及空間飛行器導航

(1)多模衛星導航技術。衛星導航目前已經有GPS、GLONASS、BeiDou、GALILEO、CAPS 系統,每個單獨系統在精度、可用性、完好性等上都有所欠缺,且這些系統目前幾乎都不能支持深空探測導航的需要,同時這些系統的自主運行能力也不令人滿意。因此衛星導航系統領域的發展一方面需要能融合多個衛星導航系統的功能,提高導航性能,這就需要進行多模接收機研製、多模數據定位處理軟體的建立(包括相位數據)、定位結果的誤差分析和多模接收機的改進;另一方面需要發展同時滿足近地和深空導航需求的天地一體衛星導航系統理論與方法以及融合通信與導航技術的衛星導航系統(如CAPS),這是本領域優先發展方向。

(2)天文導航技術。天文導航是利用天體的信息來進行導航的,本領域優先發展方向除了傳統的利用恆星可見光的導航方法外,基於深空的特殊環境,發展利用紅外譜段的深空紅外導航技術也是本領域的優先發展目標。同時,脈衝星導航技術作為未來最重要的航天導航手段,值得大力研究與發展。為此,一方面要大力開展脈衝星觀測研究,建立更加完善的脈衝星資料庫;另一方面加強脈衝星導航的理論體系研究並發展相應的實驗驗證技術。

(3)組合導航技術。為了進一步提高導航精度和可靠性,需研究利用衛星導航、天文導航、慣性導航、SLR、DORIS 等獨立定軌和綜合定軌原理和方法,分析其組合導航結果差異和可能機制,在此基礎上建立組合導航演算法,探討不同導航系統組合對導航定位結果的影響,研究其適用性,建立針對不同導航用戶選擇導航方式的標準和規範。

(4)軍用導航技術。根據國家安全的需要,研究衛星導航、DGPS、紅外導航、脈衝星導航、INS/GNSS 組合導航的系統原理和方法;發展環形激光陀螺捷聯式慣性導航系統、微波著陸系統(MLS)、地形輔助導航系統、聯合戰術信息分發系統(JTIDS)和定位報告系統(PLRS)的導航原理和方法;探討不同導航技術在軍事應用中的特點和其適用性;建立針對不同軍事需求的導航規範。

三、深空探測資料的分析處理和應用研究

(1)深空探測資料分析處理。高精度的深空探測資料處理是深空探測科學成果的基礎,而其資料在分析處理時涉及測量數據系統誤差分析、測量數據融合、實時數據處理分析等,為此需要開展有關資料的分析處理研究和綜合方法的探討。

(2)月球和類地行星重力場解算。月球和行星重力場反映了月球和行星內部物質的分佈,高精度重力場測定可以提供關於月球和行星的殼和幔物理特徵的有用信息。在均衡補償假設下,結合重力場和高精度月球與行星地形數據可以確定殼的厚度,並進而研究月球和行星殼厚度的地理差別及其演化意義。

(3)月球和類地行星地形模型研究。利用、日本和美國多顆月球探測器的激光測高資料,綜合應用提高月球數字地形模型的精度和解析度,並把相關處理方法拓展到火星和其他類地行星地形研究中。

(4)月球和類地行星空間定向探測和確定。研究測定月球和火星等類地行星空間定向的方法,利用已有資料進行檢驗驗證,並與國際結果進行比較。

(5)試驗和開發小行星與彗星探測的航天新技術。基於深空探測科學目標,結合小行星與彗星探測的特點,研究其導航原理與方法,確定空間位置和軌道飛行方向,為開展小行星與彗星探測計劃奠定基礎。_

本文摘編自科學院著「學科發展戰略」叢書基本天文學(北京:科學出版社,2016.11)第八章,內容有刪節調整。

ISBN 978-7-03-050670-2

責任編輯:朱萍萍

「學科發展戰略」叢書是科學院組織數百位院士專家聯合研究的系列成果,涉及自然科學各學科領域,是目前規模大的學科發展戰略研究項目。

《學科發展戰略·基本天文學》從以下7個方面介紹了基本天文學及其應用的發展戰略框架、發展舉措與建議:戰略地位、發展規律與發展態勢、發展現狀,發展目標與建議、優先發展領域與重要研究方向、國際合作、保障措施。書中不僅對國內外基本天文學及其應用的發展現狀和態勢進行了詳細的評述,更對未來十年基本天文學及其應用的發展戰略和措施提出了一些重要、有意義的思考和建議。

《學科發展戰略:基本天文學》可供天體測量學、天體力學、時間頻率、相對論基本天文學、曆書天文學、行星內部結構與動力學、天文地球動力學、深空探測與導航、人造天體動力學與空間環境監測、大地測量、地球動力學等專業的科技人員及高等院校有關專業的師生參考。

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