美國宇航局噴氣推進實驗室卡西尼專案導航團隊負責人傑裡米·瓊斯對此做出瞭解釋。
太空探測器的精確導航取決於四個因素：第一是用於確定探測器位置和速度的測量系統。第二是進行測量的地點。第三是精確的太陽系模型，第四是探測器運動模型。
對於所有美國星際探測器，深空網路（DSN）的天線充當測量系統。這些天線向探測器發射無線電訊號，探測器接收這些訊號，並以略微的頻移將訊號返回地面站。透過計算發射訊號和接收訊號之間的差異，可以非常精確地確定探測器沿天線方向的距離和速度，這要歸功於訊號的高頻率和用於測量微小頻率變化的非常精確的原子鐘。透過結合這些要素，導航員可以測量探測器的瞬時視線速度和相對於天線的距離，精度分別為每秒 0.05 毫米和 3 米。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事能夠擁有未來。
許多探測器還攜帶攝像頭，用於拍攝目的地影像，無論是衛星、行星還是其他天體。在最後接近階段，當距離變小時，會使用這些影像。例如，卡西尼號探測器的相機提供的角度測量精度為 3 微弧度（在一百萬公里距離處為 3 公里）。影像補充了無線電資料，並提供了與目標的直接聯絡。
空間探測器軌跡的計算也需要使用慣性座標系，其中在太陽系上鋪設網格，並相對於恆星背景固定。對於星際任務，使用以太陽系質心為原點的慣性座標系。由於測量提供有關探測器相對於天線位置的資訊，因此需要了解天線相對於此慣性座標系的位置，以便將測量值轉換為系統中的元素。天線的位置不僅取決於其在地球表面的地理位置，還取決於地球相對於太陽系質心的位置（稱為地球星曆）。地球星曆的測量精度約為 0.5 公里，天線的位置精度優於 5 釐米。
星際導航的第三個組成部分是精確的太陽系模型。引力是作用於航天器的最重要力。確定這些引力需要準確瞭解所有主要天體（如太陽和所有行星）在一段時間內的位置。此資訊由行星星曆提供，行星星曆自星際空間計劃開始以來一直在持續開發。得益於這項長期工作，在卡西尼號最後接近並部署其相機之前，土星的位置已知精度為數百公里。在探測器進入土星軌道後，這顆巨行星的衛星成為重要的引力天體。它們相對於土星的位置已確定到幾公里的精度。
精確導航的最後一個組成部分是結合所有這些其他要素，並使用作用在探測器上的力和軌道動力學模型來估計其位置。透過在一段時間內進行定期測量，可以確定探測器的位置和速度。例如，卡西尼號相對於土星的位置通常被確定到 1 公里或更小的精度。使用探測器已知的的位置和速度，可以計算出其未來的位置。導航員將這些位置與目標天體的預測位置（基於星曆）進行比較，以確定探測器何時到達目標。然後，剩下的就是收集飛掠資料，深吸一口氣，然後繼續進行下一次相遇。