2025年大学《空间科学与技术》专业题库—— 星际导航系统星座部署评估.docxVIP

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——星际导航系统星座部署评估

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述星际导航系统（INS）相较于传统近地卫星导航系统（如GNSS）的主要优势和面临的挑战。

二、

解释多普勒频移在星际导航信号测距中的作用及其与相对运动的关系。简述相对论效应（时间和频率）对星际导航精度可能产生的影响。

三、

一个星际导航星座计划部署N颗卫星，分布在两个相隔120度的轨道平面上。每颗卫星的轨道高度为1.5亿公里（假设地球绕太阳公转的平均距离为1.496亿公里）。请简述选择该轨道高度的可能原因，并计算从地面观测点看，来自两个轨道平面上最近的两颗卫星之间的最小几何距离（假设地球处于赤道平面且卫星也位于赤道平面附近）。

四、

比较两种不同的星际导航星座部署策略：策略A是分阶段部署，先发射少量卫星建立初步导航能力，再逐步补充；策略B是一次性发射所有卫星。请分析这两种策略在初始覆盖能力、系统复杂性、发射风险、成本控制等方面的优缺点。

五、

星际导航星座的定位精度通常用位置DilutionofPrecision(PDOP)来衡量。简述PDOP的定义及其对定位精度的影响。假设一个星座部署了4颗卫星，用户接收机测量的4颗卫星的伪距向量分别为\(\mathbf{r}_1,\mathbf{r}_2,\mathbf{r}_3,\mathbf{r}_4\)。请写出PDOP的计算公式（无需实际计算），并说明其中涉及的关键矩阵（如协方差矩阵、雅可比矩阵）的物理意义。

六、

评估一个星际导航星座部署方案时，需要考虑哪些主要的性能指标？请列举至少五项关键指标，并简要说明每一项指标的意义及其对用户应用的影响。

七、

星际信号在穿越星际介质时可能会受到衰减和噪声的影响。简述可能导致信号衰减和噪声的主要因素，并提出至少两种提高信号接收质量的技术手段或策略。

八、

某星际探测器需要利用部署在某处的星际导航系统进行自主定轨。简述自主定轨的基本原理。如果仅使用4颗导航卫星进行单点定位（PPP），可能遇到的主要问题是什么？为了提高自主定轨的精度，可以采用哪些辅助技术或方法？

九、

假设一个星际导航星座的寿命设计为10年。请从技术、成本和环境适应性等角度，分析该星座在部署后可能面临的主要挑战，并提出相应的应对措施或考虑因素。

十、

比较星际导航系统与地面GNSS在星座设计、信号传播、用户终端等方面的主要差异。展望未来星际导航技术的发展趋势，你认为未来十年的主要研究热点可能集中在哪些方面？

试卷答案

一、

优势：作用距离远，可覆盖太阳系内更广阔区域；不受太阳活动等近地环境影响；可能提供更高精度或不同类型的导航信息。

挑战：信号传播延迟大，计算复杂度高；星际介质影响显著；星座部署和维持成本极高；相对论效应修正更复杂。

二、

多普勒频移由接收机与卫星相对运动引起，频移量与相对速度成正比，是测量相对速度并用于距离估算的基础。相对论效应导致时间膨胀和频率偏移，对于高速星际导航，必须精确修正卫星钟和接收机钟的相对论频移，否则将引入显著的测距误差。

三、

选择原因：该高度接近地球-火星平均距离，有利于对内太阳系进行有效覆盖，同时相对太阳系中心距离适中，可减少部分长期摄动影响。最小几何距离计算：假设地球半径忽略不计，卫星位于赤道平面，两轨道平面赤道点相距\(\sqrt{3}\times1.5\times10^8\)km=2.594亿公里。最近距离发生在两个平面与地球连线形成等边三角形顶点处，为\(1.5\times10^8\)km。

四、

策略A优点：风险分散，单次发射失败影响小，可逐步验证技术，成本分摊可能更易接受。缺点：初始覆盖能力弱，系统建成时间长，用户可能长时间无法使用或精度较低。策略B优点：一旦建成，可提供快速、连续的全天候覆盖。缺点：单次发射失败风险高，发射载荷巨大，成本极高，部署期间无导航服务。

五、

PDOP定义为位置向量雅可比矩阵的逆矩阵的最大特征值的平方根，衡量星座几何构型对定位误差的放大倍数。计算公式：\(PDOP=\sqrt{\lambda_{max}((J^TJ)^{-1})}\)，其中\(J\)是伪距向量对用户位置坐标的雅可比矩阵。协方差矩阵描述伪距测量误差的统计特性；雅可比矩阵描述伪距变化率与位置变化率之间的关系，反映了星座几何构型对定位敏感度的影响。

六、

性能指标：1)定位精度（PDOP,CEP等）：衡量用户位置确定的好坏。2)覆盖范围/区域：导航系统能提供服务的地理区域。3)导航信息可用性（Availability）：用户能接收到有效导航信息的概率。4)导航信息连续性（Continuity）：用户能连