《基于光學成像測量的深空探測自主控制原理與技術》深入系統(tǒng)地介紹了基于光學成像測量的深空探測自主控制原理、方法、技術和應用問題，是作者近十年來在從事深空探測自主導航與控制技術研究的基礎上，結合該領域的最新進展，總結相關課題的研究成果而成，反映了本領域的研究前沿和技術發(fā)展趨勢，既可作為航天科研人員和工程技術人員的參考書，也可作為相關專業(yè)的研究生教材。
與地球軌道航天器相比，深空探測器的飛行距離更遠、運行時間更長、任務環(huán)境更復雜，因此，僅依賴地面測控網(wǎng)進行導航，在精度、實時性、可靠性等諸多方面受到限制，難以滿足深空探測特殊任務階段對高精度實時導航和軌道控制的要求。自主導航與控制技術是解決這些問題的有效途徑，已實現(xiàn)的深空探測任務一般都具有一定的自主控制能力。目前發(fā)展的深空探測自主控制主要是以光學成像測量為基礎的自主導航和自主軌道控制技術。
本書深入系統(tǒng)地介紹了基于光學成像測量的深空探測自主控制原理、方法、技術和應用問題。全書內容分為4部分，共12章。第一部分是基本概念和基本原理，其中第1章為緒論，介紹了自主控制的基本概念，綜述了自主控制在深空探測中的發(fā)展歷程和技術特點；第2章介紹了基于光學成像測量的自主控制基本原理。第二部分主要介紹光學成像自主導航的基本技術和方法，具體涉及導航信息的獲取和導航參數(shù)的估計問題，包括第3~6章，對于導航信息的獲取問題，研究了導航天體選取與規(guī)劃方法、導航天體光學圖像處理方法；對于導航參數(shù)的估計問題，研究了自主導航系統(tǒng)可觀性分析方法、自主導航濾波與信息融合方法。第三部分包括第7~11章，將前兩部分的研究成果應用到深空探測日心轉移軌道段、接近軌道段、環(huán)繞軌道段和撞擊軌道段中，主要研究了各個任務階段的自主導航方案以及相應的自主導航、制導與控制技術，此外，還介紹了基于光學成像測量的自主導航數(shù)學仿真和半物理仿真試驗技術。第四部分即第12章，是對全書的總結和對技術發(fā)展趨勢的展望。
本書是作者近十年來在從事深空探測自主導航與控制技術研究的基礎上，結合該領域的最新進展，總結相關課題的研究成果而成，內容集基本原理與方法、系統(tǒng)設計和試驗技術于一體，反映了本領域的研究前沿和技術發(fā)展趨勢。本書既可作為航天科研人員和工程技術人員的參考書，也可作為相關專業(yè)的研究生教材。
本書成稿過程中，得到了空間智能控制技術重點實驗室深空探測制導、導航與控制技術研究團隊的大力支持，其中李驥、熊凱、毛曉艷、張曉文等參與了本書部分內容的編寫和圖文整理工作，張曉文、毛曉艷、郝云彩、褚永輝、朱志斌和張斌等承擔了部分仿真試驗和數(shù)據(jù)整理工作。
衷心感謝吳宏鑫院士、李鐵壽研究員對本書給予的指導，以及李果研究員、劉良棟研究員和何英姿研究員對本書提出的寶貴意見。中國宇航出版社張鐵鈞副社長為本書的出版做了大量工作，在此一并致謝。
本書涉及的研究工作得到了國家863計劃、國家973計劃、基礎科研、民用航天、國家自然科學基金、北京控制工程研究所和空間智能控制技術重點實驗室的大力支持，本書的出版得到了“航天科技圖書出版基金”的資助，作者在此表示衷心感謝。
深空探測技術發(fā)展迅速，加上作者水平所限，難以全面、完整地就深空探測自主控制技術的研究前沿一一深入探討。書中錯誤及不當之處，懇請讀者批評指正。
作者
2012年7月于北京
第1章 緒論
1.1 制導、導航與控制
1.1.1 基本概念
1.1.2 自主控制技術
1.2 深空探測自主控制的典型任務
1.2.1 月球探測自主控制技術
1.2.2 行星探測自主控制技術
1.2.3 小行星及彗星探測自主控制技術
1.3 本書的主要內容
參考文獻
第2章 光學成像自主導航與控制基本原理
2.1 參考坐標系及坐標變換
2.1.1 參考坐標系的定義
2.1.2 坐標系之間的變換
2.2 時間系統(tǒng)
2.2.1 時間系統(tǒng)的定義
2.2.2 儒略日的定義及轉換
2.3 導航天體星歷
2.3.1 高精度天體星歷計算
2.3.2 簡單天體星歷計算
2.4 航天器軌道動力學模型
2.4.1 軌道攝動模型
2.4.2 軌道動力學方程
2.4.3 深空探測器軌道動力學模型
2.5 光學成像自主導航
2.5.1 基本原理
2.5.2 導航天體的選取與規(guī)劃
2.5.3 導航天體圖像的處理方法
2.5.4 觀測方程和狀態(tài)方程的建立
2.5.5 導航濾波算法的選擇
2.6 自主軌道控制方法
2.6.1 基于B平面參數(shù)的自主中途修正方法
2.6.2 接近目標天體的自主軌道規(guī)劃方法
2.7 小結
參考文獻
第3章 導航天體選取與規(guī)劃方法
3.1 導航天體類型及其特點
3.1.1 行星軌道與光學特性
3.1.2 行星衛(wèi)星軌道與光學特性
3.1.3 小行星軌道與光學特性
3.2 導航天體選取標準
3.2.1 太陽相角標準
3.2.2 視星等標準
3.2.3 視運動標準
3.2.4 三星概率標準
3.2.5 深空探測器與天體距離標準
3.3 導航天體最優(yōu)組合選取方法
3.3.1 精度衰減因子
3.3.2 基于PDOP的導航天體最優(yōu)組合選取方法
3.4 導航天體觀測序列規(guī)劃方法
3.4.1 導航天體觀測序列優(yōu)化標準
3.4.2 基于遺傳算法的導航天體觀測序列規(guī)劃方法
3.4.3 基于蟻群優(yōu)化算法的導航天體觀測序列規(guī)劃
方法
3.5 小結
參考文獻
第4章 導航天體光學圖像處理方法
4.1 光學測量原理
4.1.1 光學成像模型
4.1.2 平移及旋轉變換
4.2 星點和星跡圖像處理
4.2.1 星點光學成像特點
4.2.2 星點圖像的處理方法
4.2.3 星跡圖像的處理方法
4.3 規(guī)則天體圖像處理
4.3.1 規(guī)則天體光學成像特點
4.3.2 規(guī)則面目標圖像處理算法的基本原理
4.3.3 圖像算法的處理過程
4.3.4 仿真實例
4.4 不規(guī)則天體圖像處理
4.4.1 不規(guī)則天體光學成像特點
4.4.2 目標分割方法
4.4.3 中心提取方法
4.4.4 仿真實例
4.5 小結
參考文獻
第5章 自主導航系統(tǒng)可觀性分析方法
5.1 線性系統(tǒng)的可觀性
5.1.1 線性定常系統(tǒng)的可觀性
5.1.2 線性時變系統(tǒng)的可觀性
5.2 非線性系統(tǒng)的可觀性
5.2.1 非線性系統(tǒng)可觀性定義及判據(jù)
5.2.2 基于奇異值分解的可觀性分析
5.3 自主導航系統(tǒng)的可觀度
5.3.1 自主導航系統(tǒng)可觀度分析
5.3.2 狀態(tài)可觀度分析
5.4 小結
參考文獻
第6章 自主導航濾波與信息融合方法
6.1 基于確定性模型的濾波算法
6.1.1 最小二乘算法
6.1.2 卡爾曼濾波算法
6.1.3 擴展卡爾曼濾波算法
6.2 基于不確定模型的濾波方法
6.2.1 魯棒濾波問題描述
6.2.2 魯棒濾波算法設計
6.2.3 改進的魯棒濾波性能分析
6.2.4 基于無模型加速度估計的自適應導航濾波算法
6.3 基于信息融合的深空探測自主導航
6.3.1 多源測量信息融合基本概念
6.3.2 基于光學成像測量和X射線脈沖星的自主導航
6.3.3 多源信息融合的組合導航性能分析
6.4 小結
參考文獻
第7章 日心轉移軌道段的自主導航與制導
7.1 日心轉移軌道段自主導航與制導方案
7.1.1 系統(tǒng)組成與功能
7.1.2 導航敏感器
7.1.3 執(zhí)行機構
7.2 日心轉移軌道段自主導航技術
7.2.1 導航圖像處理
7.2.2 導航觀測方程
7.2.3 導航狀態(tài)方程
7.2.4 導航參數(shù)的濾波估計
7.3 日心轉移軌道段自主制導技術
7.3.1 采用速度脈沖控制的中途軌道修正方法
7.3.2 采用小推力連續(xù)控制的中途軌道修正方法
7.4 應用實例
7.5 小結
參考文獻
第8章 接近軌道段的自主導航與軌道
控制
8.1 接近軌道段自主導航與軌道控制方案
8.1.1 系統(tǒng)組成與功能
8.1.2 導航敏感器
8.1.3 執(zhí)行機構
8.2 接近軌道段自主導航技術
8.2.1 接近大天體
8.2.2 接近小天體
8.3 接近軌道段自主軌道控制技術
8.3.1 基于B平面的制導方法
8.3.2 自主軌道規(guī)劃
8.4 應用實例
8.4.1 接近大天體過程的自主導航與軌道控制
8.4.2 接近小天體過程的自主導航與軌道控制
8.5 小結
參考文獻
第9章 環(huán)繞軌道段的自主導航與軌道控制
9.1 環(huán)繞軌道段自主導航與軌道控制方案
9.1.1 系統(tǒng)組成與功能
9.1.2 導航敏感器
9.1.3 執(zhí)行機構
9.2 環(huán)繞軌道段自主導航技術
9.2.1 環(huán)繞大天體自主導航
9.2.2 環(huán)繞小天體自主導航
9.3 環(huán)繞軌道段自主軌道控制技術
9.3.1 環(huán)繞軌道段軌道控制數(shù)學模型
9.3.2 半長軸和偏心率聯(lián)合控制
9.3.3 軌道傾角控制
9.3.4 近天體點高度控制
9.4 應用實例
9.4.1 環(huán)繞火星探測任務的應用
9.4.2 環(huán)繞愛神小行星探測任務的應用
9.5 小結
參考文獻
第10章 撞擊軌道段的自主導航與制導
10.1 撞擊軌道段自主導航與制導方案
10.1.1 系統(tǒng)組成與功能
10.1.2 導航敏感器
10.1.3 執(zhí)行機構
10.2 撞擊軌道段自主導航技術
10.2.1 自主導航圖像處理
10.2.2 自主軌道確定
10.3 軌道機動
10.3.1 比例導引
10.3.2 預測制導
10.4 觀測序列規(guī)劃
10.4.1 撞擊時間的計算
10.4.2 拍照終止時間計算
10.4 3序列規(guī)劃
10.5 應用實例
10.6 小結
參考文獻
第11章 基于光學成像測量的自主導航地面試驗
11.1 基于光學成像測量的數(shù)學仿真驗證技術
11.1.1 靜態(tài)星點成像仿真
11.1.2 動態(tài)星跡成像仿真
11.1.3 面目標成像仿真
11.1.4 仿真實例
11.2 轉移軌道段自主導航半物理仿真試驗
11.2.1 試驗方案
11.2.2 試驗系統(tǒng)組成
11.2.3 試驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口與信息流程
11.2.4 試驗實例
11.2.5 外場觀星試驗
11.3 環(huán)繞軌道段自主導航半物理仿真試驗
11.3.1 試驗方案
11.3.2 試驗系統(tǒng)組成
11.3.3 試驗實例
11.4 小結
參考文獻
第12章 深空探測自主控制發(fā)展展望
參考文獻
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