机器人太空飞船：科学图书馆太空先锋 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子版 mobi 在线

约瑟夫·A.安吉洛所著的《机器人太空飞船》主要内容是详尽介绍机器人太空飞船的发展过程。《机器人太空飞船》从最初相对简单的行星探测器开始，以翔实的数据、众多的实例、精选的插图详细介绍了航天史上的过去、当代和未来的机器人太空飞船，以及它们在太空探索的过程中所起的重要作用。本书也描述了一些重要的航天历史事件、科学原则以及技术突破。书后附录的大事年表以及大量的相关资源能够给航天爱好者们提供重要的补充信息。

主译的话

前言

鸣谢

简介

◇1  从先驱月球探测器到星际使者

    人工智能

    机器人技术的基本原理

    飞往月球及以外地区的先驱者

    苏联早期的探月计划

    喷气推进实验室——美国首席太空机器人工厂

    信使号任务

    应用于天文学用途的机器人太空飞船

◇2  机器人太空飞船是如何工作的

    为科学服务的太空机器人

    科学机器人太空飞船的常规分类

    实用的子系统

    太阳能光电转换

    电光成像仪

    太空飞船时钟和数据管理子系统

    单粒子翻转

    机器人太空飞船的导航

    远距通信

    深空网络

◇3  形状与大小各异的机器人太空飞船

    “先驱者3号”太空飞船

    漫游者计划

    “月球勘探者号”太空飞船

    “月球勘探者号”中子频谱仪

    “麦哲伦号”太空飞船

    “伽利略号”太空飞船

    美国国家航空航天局足球太空机器人

    在太空探索时应该使用机器人还是人类？

◇4  飞越太空飞船

    “水手10号”——第一个飞往水星的太空飞船

    “先驱者11号”——第一个造访土星的太空机器人

    “旅行者2号”的大旅行

    海王星与海卫一

◇5  轨道器、探测器和表面穿透器

    “水手9号”太空飞船

    “海盗1号”和“海盗2号”轨道太空飞船

    “火星全球勘测者”(MGS)太空飞船

    “火星气候轨道器”——因为人类的错误在太空遗失

    火星观测者(MO)任务

    “火星——奥德赛2001”太空飞船

    “卡西尼号”太空飞船

    “惠更斯号”太空探测器

    先驱者金星任务

    “尤利西斯号”太空飞船

◇6  登陆器和漫游车太空飞船

    勘测者计划

    “月球车1号”(Lunokhod)和“月球车2号”机器人

    漫游车

    “海盗1号”和“海盗2号”登陆器太空飞船

    火星探路者任务

    火星极地登陆者(MPL)——另外一个火星之谜

    火星探险漫游者(MER)2003任务

◇7  样本返回任务

    “吉尼斯号”太阳风样本返回任务

    “星尘(Stardust)号”任务

    火星样本返回任务

    地球外污染

◇8  作为科学实验室的移动机器人

    用智能机器人寻找月球水

    探索红色星球的更智能机器人

◇9  正在拜访太阳系小天体的机器人太空飞船

    “乔托号”太空飞船

    “深空1号”(DS1)太空飞船

    “深度撞击号”太空飞船

    “罗塞塔号”探测器

    “近地小行星交会”(NEAR)探测器

    “黎明号”探测器

◇10  未来几代的勘探机器人

    “新视野号”冥王星一柯伊伯带的飞越任务

    柯伊伯带

    遥现、虚拟现实和具有人类特征的机器人

    智能机器人和人机结合体

    火星飞机

    使用机器人探测冰冷地区

    木卫二

    “星际探索”任务

    太空核能

    对高级机器智能的需求

◇11  自我复制系统

    自我复制系统的理论与应用

    地球外因素对自我复制系统的影响

    对自我复制系统的控制

◇12  星际探测器

    “先驱者10号”、“先驱者11号”太空飞船的星际之旅

    “旅行者号”的星际任务

    “千年天文单位”探测器任务

    星际探测器的设计

    代达罗斯计划

◇13  结语

大事年表

译者感言

约瑟夫·A.安吉洛(Joseph A.Angelo，Jr.)，博士，退役美国空军中校，现在是技术作家。作为洛林斯(Rollins)学院的一名物理学兼职教授，他教授天文学入门课程——“宇宙的演进”。安吉洛博士编写有许多工具书，其中包括The Facts on File出版公司出版的《太空和天文学手册》和著名的《太空与天文学百科全书》。

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    ◇机器人太空飞船的导航

    机器人太空飞船的导航有两个主要方面。第一个是轨道确定——这项任务包括对于太空飞船的位置和速度的了解和预测。第二方面是飞行路径控制——这项任务包括点燃太空飞船的船载推进系统(如制动火箭发动机或者微小的姿态控制火箭)来调整太空飞船的速度。

    在宇宙的深度空间导航机器人太空飞船是一项具有挑战性的操作。例如，当太空飞船在太阳系深处飞行时无法对它的横向运动进行单一的直接的测量，太空飞船的控制者们也无法获取这方面的数据。航天工程师们将横向运动定义为除了直接朝向或者背向地球(也称为径向运动)的任何其他运动。太空飞船的飞行控制器使用多普勒(Doppler)频移遥感测量(尤其是连贯的下行链路载波)来获得太空飞船对地速度的径向部分。太空飞船的控制者在太空飞船的上行链路通信加了独特编码的距离脉冲并记录传输时间。当太空飞船接收到这个特殊的距离脉冲，它将从F行链路返回相似编码的脉冲。工程师知道太空飞船上的电子装置将距离脉冲“掉头”所花费的时间。例如“卡西尼”花420毫微秒(ns)±9毫微秒的时间将距离脉冲掉转了方向。在全部的传输过程中还有被人们所了解到和测量到的(校准的)延误，因此当返回脉冲在地球上被收到——例如在美国国家航空航天局的深空网——然后，太空飞船的控制者可以计算太空飞船与地球的(径向)距离。太空飞船控制者也使用角量来表达一个太空飞船在天空的位置。

    携带电光成像仪的机器人太空飞船能使用这些仪器来实现光学导航。例如，它们可以对照已知的背景星场来观察目的地(目标)行星或者卫星。太空飞船管理者经常会小心地计划和上传合适的光学导航图像作为上传的行星交会指令序列一部分。当太空飞船收集光学导航图像后，它会立刻将这些图像下传(传输)到负责太空飞船控制的人类导航小组。太空飞船控制人员迅速处理这些光学图像并通过这些数据来获得有关太空飞船靠近天体目标时的飞行轨道的准确信息。

    当太空飞船的太阳或者行星轨道参数获悉之后，这些数据就被用来与预计的飞行数据相比较。如果有差异，太空飞船控制者就会计划并使太空飞船进行一次恰当的轨道修正操作(TCM)。同样，为了支持科学任务的实施，太空飞船绕某行星的环绕轨道有时也必须进行微小的改变。在这种情况下，飞行控制人员需要计划并且指示太空飞船进行环绕轨道调整操作(OTM)。这通常包括使太空飞船点燃一些小推力的姿控火箭。轨道修正和环绕轨道调整会耗尽太空飞船上携带的推进剂，推进剂通常是需要十分谨慎地支配并仅限于为完成任务而使用的消耗品。

    ◇远距通信

    航天空间工程师使用“远距通信”来描述太空飞船与地基通信系统之间数据和信息(通常通过无线信号)的流动。机器人太空飞船一般仅用有限的能量来传输信号，这些信号有时必须在空间穿越数十亿英里(千米)才能到达地球。深空探索太空飞船的传输器通常不超过20瓦的发射功率。

    航天工程师对这个问题的一部分解决办法是将所有可用的信号发射功率都集中到一个无线电窄波束上，然后将这个窄波束向一个方向发出而不是向所有的方向传播。通常可以由一个直径为3-15英尺(1-5米)的抛物柱面反射器天线来完成。然而即使无线信号如此集中，当它们到达地球时也已经很弱了。远距通信困难的另一部分办法是使用特大直径的无线电地球接收器，就像美国国家航空航天局的深空网所使用的那种，这部分内容将会在下一部分讨论。这些复杂精密的无线电天线能够侦察到来自遥远太空飞船的极低能量信号。

    在远距通信中，传输到太空飞船的无线电信号叫上行链路。从太空飞船到地球的传输叫下行链路。上行或下行的通信由一个纯无线电频率音调(称为载波)组成，或者这些载波可能被调制以向每个方向传输信息。与太空飞船的通信包括一个叫单向通信(OWC)的下行链路。当太空飞船接收上行信号的同时下行信号也在地面被接收到，这种通信模式被称作双向通信(TWC)。

    工程师通常通过一个固定速率微调每个波形的相位来调制太空飞船载波信号。一个方案是用一个频率来调制载波，例如，接近1兆赫。这个1兆赫的调制就被称为是副载波频率。副载波频率被调制成能够传播表明二进制的1和0——太空飞船的遥感数据——的单独的相位移。用来将数据调制到副载波频率的相位移动的数量被认为是调制指数并且以度来测量。这种通信方案也同样适用于上行链路。调制到上行链路的二进制数字数据称作指令数据。太空飞船接收之后立即执行或者储存到以后使用。调制到下行链路的数据被称作是遥测数据，它包括太空飞船仪器测得的科学数据和各种功能子系统(如电力、推进、热控等)的传感器收集的太空飞船健康状况的数据。

    解调的过程就是侦察副载波频率并且使其与载波分离；侦查单个的二进制相位移并以数字数据的形式记录下来以备进一步分析。用来解调的仪器叫调制解调器，是调节器／解调器的简称。这些相同的调制和解调的过程经常被用于地基计算机系统和传真机，使得通过电话线将数据来回传输成为可能。在高速电缆连接时代之前，当人们使用个人电脑通过互联网闲聊时，它们的拨号调制解调器会使用一个电话系统能够处理的熟悉的音频载波。

    碟形的高增益天线(HGA)是频繁被机器人太空飞船用来与地球通信的天线种类。天线所达到的增益数量指它能够收集并集于太空飞船的接收器的进入的无线电信号的数量。在太空飞船使用的频率范围内，高增益天线与一个大的抛物面反射器组合使用。这样一个天线可以固定于太空飞船运载舱或者是可移动的。高增益天线的接收区域越大，它的增益就越高，它支持的数据率就越快。然而，增益越高，天线的定向性就越高。因此当太空飞船使用高增益天线时，为了保证有效通信，天线必须精确地指向地球。一旦这种精确的天线指向达到了，通过高度集中的无线信号，通信就会迅速建立。

    低增益天线(LGA)在增益有损的情况下，能提供广角覆盖。覆盖面几乎是全向的，除了被太空飞船的结构遮挡的地方。低增益天线是为相当低的数据率设计的。只要太空飞船距离地球相对较近(例如，在若干天文单位之内)这种天线就可以使用。有时一个太空飞船要装配两个低增益天线来提供完全的全向覆盖，因为第二个低增益天线能避免太空飞船的结构对第一个低增益天线形成的盲点。工程师通常将低增益天线架设在高增益天线的副反射器的顶端。

    中等增益天线(MGA)代表了一种在太空飞船设计方面的折中。具体地说，中等增益天线的增益高于低增益天线，允许的天线指向准确率要求(典型的是20°－30°)低于高增益天线。

    P57-59

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