星際航行導航和控制

行星際航行的軌道　空間探測器的行星際航行可以認為是在地球、太陽和其他行星的引力作用下的限制性多體運動（見多體問題）。根據引力作用的範圍，可以把它簡化為幾個受到攝動作用的二體問題。因此行星際航行分為三個主要階段：發射和入軌階段，中途（自由飛行）階段和接近目標星或着陸階段。其中接近目標星階段還分為通過目標星附近和成為目標星的衞星兩種方式。着陸方式則分為硬着陸和軟着陸。若探測器須從目標星返回地球，則以相反的次序重複這3個階段。

行星際航行一般採用拋物線軌道或雙曲線軌道，多數採用雙曲線軌道。為了便於修正軌道和節省燃料，經常採用所謂停泊軌道，即圍繞着地球或目標星運行的軌道。飛到火星的“海盜”號探測器就採用這種軌道。探測器先被髮射到繞地球的停泊軌道上,然後修正軌道,調整姿態，再點火進入過渡軌道。在接近目標星時也是先在停泊軌道上運行，在選擇好合適的時機後在行星表面着陸。

根據行星際航行的三個不同階段，可把制導相應地分為初制導、中制導和末制導。與人造地球衞星相比，行星際航行的制導的特點是：

①精度高：飛行軌道的初始速度只要有微小的誤差就會造成終點的極大偏差。例如飛到火星的探測器，如果在初制導結束時速度值有0.3米/秒的誤差，速度方向有1角分的誤差，到火星時就會偏差2萬公里，即相當於3個火星的直徑。

②技術複雜：由於各階段的飛行特點不同，在整個航行過程中需要採用多種制導系統。

③自主性大：航行路程遠,無線電波傳輸時間長,難於在地球上進行遙控，因此需要由探測器進行自主導航和控制。

④要求導航和控制系統的功耗和重量更小，可靠性更高。

行星際航行有三種導航方法：

①天文導航：通過測量探測器相對於天體的角度來確定探測器的位置和速度。現代行星際航行天文導航的精度為幾百米。

②無線電導航：根據無線電波特性（直線性、勻速性和反射性）來測量探測器相對於無線電發射機的距離和速度。無線電導航的種類很多。其中利用多普勒測速系統測速，經過數據處理後測距精度可達 3米，測速精度可達0.1毫米/秒。

③慣性導航：用安裝在慣性平台上的加速度計測量探測器的加速度，然後經過積分得到速度，再積分一次得到距離。 　在這幾種導航方法中，天文導航的自主性強、精度較高，其工作不受時間和距離的限制，也不像慣性導航那樣存在着由於陀螺漂移所造成的累積誤差。但由於星光很微弱，天文導航的測量技術比較複雜。無線電導航的精度高，技術成熟，但不能自主，而且容易受外界干擾。慣性導航只適用於主動段。這三種導航方法常常結合起來運用。

為了保證探測器軌道控制所要求的姿態和探測器在深空探測以及與地球通信聯絡時所需要的姿態，還須對探測器進行姿態控制。姿態控制包括姿態穩定和姿態機動兩個方面(見航天器姿態控制)。姿態穩定大多采用自旋穩定和噴氣三軸控制，穩定精度為0.1°～0.3°。1978年以來，有些空間探測器已採用雙自旋穩定。

對於行星際航行，利用行星引力場來改變航天器的速度是一個很有意義的方法。這種方法又稱為天體引力導航技術。1977年發射的“旅行者”號探測器就採用了這種方法，先利用木星引力來加速探測器並使它的航向偏轉大約97°，使它飛向土星。然後利用土星的引力加速，繼續飛向天王星。最後將離開太陽系飛向宇宙。通過木星、土星和天王星的飛行軌道，大約每隔45年才有一次機會，因此“旅行者”號探測器必須在1977年發射。

“旅行者”號探測器從地面發射入軌後，在地球附近進行第一次制導。目的是消除入軌時由運載火箭造成的誤差。第二次制導大約在向木星航行的中途進行，目的是消除第一次制導所造成的誤差。在這兩次制導之前，都由地面測控站先進行多普勒測軌。第三次制導是在接近木星時進行的，由探測器上的天文導航裝置完成。通過木星後改變航向，朝向土星。從地球到木星大約需航行兩年，從木星到土星又需要大約兩年，在這整個中途飛行階段共進行8次制導。