天文多普勒导航系统

当机械波或电磁波的发射源与接收点之间沿两者连线方向存在相对速度时，接收频率与发射频率并不一致，这一频率差称为多普勒频移。光学多普勒效应是指航天器在远离或接近目标源的过程中，测量得到的目标源光信号的频率变化现象。光信号的多普勒频移反映了航天器与目标源的相对运动信息，其幅度与航天器在目标源视线方向上的相对速度成正比。因此，根据在航天器上测量得到的光信号多普勒频移，可以求解得到航天器相对于目标源的速度。在实际的航天器轨道运动中，航天器的速度是三维矢量，而通过对一个目标源进行观测，仅能确定航天器速度在目标源视线方向上的一个分量；通过对三个或三个以上目标源进行观测，可以估计得到完整的航天器三维速度信息；进一步结合目标源的天体星历数据，测定航天器在惯性空间中的速度矢量，如下图所示。

图1 基于光学多普勒效应的航天器测速原理

天文多普勒导航系统的基本工作方式为：利用航天器上的摄谱仪结合导航计算机测定航天器在惯性空间中的速度信息，进而，对速度进行积分，获得航天器的位置坐标。导航系统中的摄谱仪是一种可将接收到的光线分离成频谱的仪器，可用于光学多普勒效应的测量，其示意图如下所示。

图2 面向太阳光学多普勒效应观测的摄谱仪示意图

在上述天文多普勒导航系统工作过程中，航天器位置估计误差会随时间积累；因此，有必要将天文多普勒导航与其他导航方式相结合，构成组合导航系统。天文多普勒导航方式用于航天器组合导航系统时，可通过摄谱仪测量在一个时间序列上的光信号多普勒频移，并利用其他导航敏感器设备（如紫外地球敏感器、脉冲星探测器等）得到多个时刻的测量数据，结合航天器轨道动力学方程，通过导航滤波算法估计得到航天器的运动状态。

天文多普勒导航系统具有导航原理直观、潜在应用范围广等优点，但也面临目标源自身光学信号不稳定等问题，尚处于研究阶段。针对上述问题，将目标源光信号的多普勒频移测量用于相对导航，通过比较卫星编队中两个航天器测量得到的恒星光谱，能够比较准确地测定两个航天器的相对速度，该应用方式对恒星光谱的长期变化不敏感。此外，基于太阳震荡时间延迟测量的自主导航方法通过比较直接接收的太阳震荡信号到达时间和经行星卫星等天体反射的太阳震荡信号到达时间，获得时间延迟观测量，进而利用时间延迟解算航天器位置信息。上述方法均可以从某种程度上克服目标源自身光学信号不稳定的问题。