天舟四号升空,首次优先使用北斗进行导航接收!之前都用啥?GPS?

兵马未动,粮草先行。5月10日2时许,天舟四号货运飞船在我国海南文昌航天发射场,运用长征七号遥五运载火箭,成功被送入预定轨道,正式拉开了2022年我国空间站建造的大幕!

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它装载了包括货包货物和直接安装货物,以及补加推进剂等物品在内的共计200多件货物。同时相较于天舟三号,天舟四号的上行物资总重多了300公斤,达到6000公斤左右,运输能力有了进一步提高。进一步为随后发射的神舟十四号乘组三名航天员6个月的在轨驻留、空间站组装建造,以及开展多种空间应用领域提供充足的物资保障。

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值得注意的是,此次发射任务是今年载人航天工程三型火箭六次发射任务的首次发射,也是今年空间站建造阶段的首飞任务。承担着“打头阵”重任的长征七号运载火箭,是为我国载人空间站工程发射货运飞船而全新研制的新一代中型运载火箭。

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其自2016年首飞以来共执行4次天舟货运飞船发射任务,不断向中国空间站及空间实验室运送大量物资,特点是“力气”大,运力足、可靠性高。

而最令人激动的是,此次发射任务也是长征七号遥五运载火箭首次把北斗卫星导航系统作为导航接收的第一优先级。看到这里,我们都会不由自主地产生疑问。那么之前火箭用什么导航?GPS吗?不怕泄密吗?

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首先,让我们先了解一下火箭是如何不走错路的。与陆地交通不同,运载火箭的飞行只有规划的路线,没有实际的道路,这使得火箭无法像汽车一样按照既定的道路行驶至目的地,需要通过精确地飞行才能准确到达目的地。

因此在火箭起飞之前,地面需要根据入轨点规划好飞行弹道,这就是火箭的入轨路径。而要想实现精准入轨,发射点的位置就一定要精准,这就得依靠发射场瞄准系统能提供极为精确的瞄准数据。

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一般来说,发射场的瞄准分为粗瞄和精瞄两个阶段,发射前5小时会确定最后的精瞄数据,然后与弹道等数据一起装订进飞行控制系统计算机,指导火箭执行发射任务,火箭据此飞行便可以到达入轨点。

而为了让火箭在飞行过程中,能在无人干预的情况下,严格按照预定路线移动,不跑错路,通常需要采用惯性导航使火箭的飞行误差尽可能的小。就像汽车的轮子不歪,才能一直跑直线。

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所谓惯性导航系统也称作惯性参考系统,是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量(如无线电导航那样)的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面,还可以在水下。惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础,通过测量载体在惯性参考系的加速度,将它对时间进行积分,且把它变换到导航坐标系中,就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

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也就是说,惯性导航系统是一种推算导航的方式,即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置,因而可连续测出运动体的当前位置。当然,火箭能够完美预测其下一点的位置,从而按照预定路线精确入轨是理想状态。

因为惯性导航信息是经过积分而产生,定位误差随时间而增大,所以惯导有固定的漂移率,会造成物体运动的误差,长期精度差。因此在火箭飞行过程中,需要能对其进行精准定位。使得每当火箭飞偏时,都能及时修正其路线。

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说到定位,我们首先想到的肯定都是GPS。美国的火箭发射任务,也大都是凭借该导航系统飞向太空的。但GPS只开放民码给我们,而且不可控,不可信任,毕竟活生生的例子就在眼前。例如就在1996年,我国两枚导弹曾发射失败,就是因为美国对GPS系统做了手脚。

并且美国已经不止一次这样做了。比如在叙利亚、以及伊拉克战争中,美国就直接切断了叙利亚、以及伊拉克GPS信号,从而让这两国的导弹完全停滞。

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此外还有1993年的银河号事件。美国宣称我国“银河号”有违禁化学品,并以此为由要求对“银河号”进行检查。当然,对于这样的无理要求,自然受到了我国的拒绝。但是美国态度强硬,还派海军舰船、飞机对“银河”号近距离跟踪和低空侦察,之后无耻地切断了GPS信号,最终导致“银河号”在海上漂泊了33天。所以在当年,消弭GPS带来的风险也就成了迫在眉睫的问题。

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好在除了使用卫星定位,还可以使用光学跟踪测量系统与无线电跟踪测量系统。光学跟踪测量系统就是一个可以移动的大型望远镜。它像眼睛一样随时盯着飞行中的运载火箭。这时只要测量随动机座的方位角和俯仰角,通过对两个或多个地面站上的望远镜随动机座的方位角与俯仰角进行交汇计算,就可计算出运载火箭的轨道参数。

无线电跟踪测量系统是依据无线电波的传播特性对火箭进行跟踪测距与测速。脉冲雷达是常用的测距雷达。它从地面向运载火箭发送询问信号,装在运载火箭上的应答机接收到询问信号后,经变换载频转发到地面站,通过计算脉冲电磁波往返传输的延迟时间,扣掉应答机反应的延迟时间就可计算出火箭相对地面站的距离,再根据接收载波中的多普勒频移,就可计算出火箭的径向速度。利用等信号法获取火箭的方位角和俯仰角,经过计算处理、座标转换,即可得到运载火箭的轨道参数。

此外,激光和红外光跟踪测量技术也常用于运载火箭的跟踪测轨。其传播特性与无线电波相同,跟踪测量的原理,设备组成也与无线电雷达相近,因此称为激光雷达和红外雷达。

而现在,天舟四号的升空意味着导航系统可以优先由北斗卫星来提供服务,且可以随时切换其他导航系统,进一步保证了火箭的飞行安全,也进一步推进了长七火箭国产化和自主可控。代表着我国航天科技的又一次进步!

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