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空少问答
小课堂
第五十一期
9
月
25
日
周
一
“信号锅”很重要，造型该如何摆呢？
上周六，空少为大家留了1个问题，来看看空少的解答以及从留言中选出的最佳答案吧！
想要查看原问题背景介绍的朋友们可以点击《“信号锅”很重要，造型该如何摆呢？》~下面就让我们来看看空少的解答吧！
空少正解
答：说到要让深空探测器的“大锅”造型时刻摆向地球，首先要干的一件事情就是让它独立自主地知道自己在太空中的准确位置和姿态。
只有知道了自己的准确方位，它才能找到家的方向。定位在大家看来也许不是难事，我国的“北斗”导航定位系统不是正好能派上用场吗？当然这个答案是否定的，要知道不管是“北斗”还是GPS导航卫星，它们的信号都是时刻指向地球发射的，远离地球的深空当然是望尘莫及了。
即便有些信号能够穿过地球，过大的信号衰减，也会导致升空探测器无法完全利用。只有低于“北斗”或GPS导航卫星轨道高度上的近地飞行器才能充分发挥导航卫星的优势，实现精准定位。
北斗导航系统
又有朋友们会说，那我们是不是可以利用地基的测控设备帮助深空探测器进行定位呢？这里面有两个问题，第一是地基定位存在着一定的盲区，即便是美国深空探测网三个台站的全球覆盖，也不能排除被星体遮挡的风险。第二，地基定位只能让我们知道探测器的位置，而它自己并不知道，假如我们实时位置传递给他，也许下一秒它将不知所踪，所以这并不是一个最佳的定位方法。
加州GOLD STONE的高增益抛物面天线
这么说来，导航卫星和地基设备是指望不上了，那该怎么办呢？很早以前的航海家们在没有罗盘的时候，他们出海经常是靠着最亮的北极星来辨别方位，这给遨游太空的深空探测器指明了一个方向，那就是利用太空中的已知星体的位置来帮助定位。美国航空宇航局阿波罗13号月球探测器就是通过观测日地月信息实现自主定位导航的。刚刚结束伟大使命的“卡西尼-惠更斯”号土星探测器也是通过不断观测土星和土卫六的位置来实现深空定位导航的。此外，还有依靠小行星和观测彗星来帮助定位的太空探索任务。
北斗七星
那它是怎么实现的呢？这就和探测器搭载的星敏感器有关，星敏感器是卫星姿态控制系统中重要的组成部分，它能通过敏感恒星的辐射来测定卫星相对于天球坐标系的三轴姿态。它主要由信号检测模块、模拟信号处理部分、数据采集模块以及相关电路和接口组成。
星敏感器
首先，他利用信号检测模块中的光学相机对捕获到的星光进行呈像，然后将这些光能量转化为电信号，这些信号就被以数字的方式转化到了内存中。随后，数据处理系统会利用相关算法对这些数字化的星图进行星点提取和星点坐标计算，并得出恒星图像。最终将得出的恒星图像与导航星基准库中的恒星图像进行对比，“新视野”号中的导航星库中就储存了3000多个恒星的天球坐标，根据对比结果，就能最终确定航天器在太空中的位置了。
由于恒星对我们来说非常遥远，它的运动可以忽略不计，这也是恒星名字的由来。一般来说，我们需要测量某一时刻三颗不同的恒星来帮助定位。二战期间，潜艇仍然是使用这种测星的方式来校准自己位置的。
测星法定位
除此之外，火星车在火星表面的导航同样用到了这样的原理，不过它借助了火星卫星的指向作用。具体方法就是利用星敏感器拍摄火卫一的照片，获得火卫一的星光矢量方向和同一照片背景中某一恒星的星光矢量方向，计算出这两个矢量的夹角。随后从已知的恒星图像中获取火卫一和该恒星的位置，通过相关算法就能计算出火星车的位置了。
由于星敏感器的测量有时会对太空定位造成过大的错误，通常一个小看似细微的角度误差可能导致几千公里的错误估计。因此目前通常采用采用天文/双程多普勒/测距组合等组合定位，我们上期栏目提到的脉冲星定位也是一个不错的选择。
在知道了自己的方位后，接下来就是要了解自己的姿态，为将天线指向地球做好准备。目前，深空探测器的三轴姿态测量可以利用卫星上的陀螺仪，借助航天器上某些已知物体的位置信息和经过处理后陀螺仪的数据，通过相关算法就能计算出这些已知物体相对空间某参考坐标系中的位置，进而得出卫星的姿态信息。
“卡西尼－惠更斯号”
有了以上办法，就像给太空遨游的深空探测器带上了一双眼睛和导航仪，让它时刻可以找到家的方向。根据以上信息，深空探测器就能通过其自身携带的小喷嘴或者是姿态控制发动机，使“大锅”的造型时刻指向我们的地球了。
留言区·精选
@ 春子弄墨
应该通过像机械钟表那样的——多重复合机械制动轴承结构传动系统，配以由高精度自动控制板进行识别地球及其信息来源，并完成传动指令。
@ 邓兆森
应该是信号锅有两三根天线，按照一定的角度分布，不断的接收地球发的信号，每根天线接收到的信号强度是不一样的，强度最强的方向就是靠近地球的方向。不断的调整，直至其中一根接收到的信号最强，这个方向就是地球方向。
@ 栀子花开遇见你
个人猜想……是不是就像反辐射导弹的导引头那样，就是反过来，从地球不断发信号，也许较短的时间信号天线不太可能离开范围，不断根据信号调整自己的姿态始终对准信号最强的方向就行了吧……
@ Benjamin
是不是，卫星上一般都有星敏感器、无线电射频敏感器，加上地球的遥测信号，就可以判断相对地球的姿态，然后通过姿态发动机、飞轮等来调整自己的姿态，使得高增益天线对准地球~另外，还有低增益天线，也能接受部分控制指令，在地球控制中心的控制下调整姿态，对准地球~是这样对吗~
@ 心湖
航天器上都有姿控系统，可比较精确的知道航天器的对地指向，保证“大锅”正确的方向。
感谢大家的支持，我们下期再见！
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