《基于光學(xué)成像測量的深空探測自主控制原理與技術(shù)》深入系統(tǒng)地介紹了基于光學(xué)成像測量的深空探測自主控制原理、方法、技術(shù)和應(yīng)用問題，是作者近十年來在從事深空探測自主導(dǎo)航與控制技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，總結(jié)相關(guān)課題的研究成果而成，反映了本領(lǐng)域的研究前沿和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，既可作為航天科研人員和工程技術(shù)人員的參考書，也可作為相關(guān)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(yuǎn)、運(yùn)行時(shí)間更長、任務(wù)環(huán)境更復(fù)雜，因此，僅依賴地面測控網(wǎng)進(jìn)行導(dǎo)航，在精度、實(shí)時(shí)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(wù)階段對(duì)高精度實(shí)時(shí)導(dǎo)航和軌道控制的要求。自主導(dǎo)航與控制技術(shù)是解決這些問題的有效途徑，已實(shí)現(xiàn)的深空探測任務(wù)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(xué)成像測量為基礎(chǔ)的自主導(dǎo)航和自主軌道控制技術(shù)。
本書深入系統(tǒng)地介紹了基于光學(xué)成像測量的深空探測自主控制原理、方法、技術(shù)和應(yīng)用問題。全書內(nèi)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(shù)特點(diǎn)；第2章介紹了基于光學(xué)成像測量的自主控制基本原理。第二部分主要介紹光學(xué)成像自主導(dǎo)航的基本技術(shù)和方法，具體涉及導(dǎo)航信息的獲取和導(dǎo)航參數(shù)的估計(jì)問題，包括第3~6章，對(duì)于導(dǎo)航信息的獲取問題，研究了導(dǎo)航天體選取與規(guī)劃方法、導(dǎo)航天體光學(xué)圖像處理方法；對(duì)于導(dǎo)航參數(shù)的估計(jì)問題，研究了自主導(dǎo)航系統(tǒng)可觀性分析方法、自主導(dǎo)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(yīng)用到深空探測日心轉(zhuǎn)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(gè)任務(wù)階段的自主導(dǎo)航方案以及相應(yīng)的自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)，此外，還介紹了基于光學(xué)成像測量的自主導(dǎo)航數(shù)學(xué)仿真和半物理仿真試驗(yàn)技術(shù)。第四部分即第12章，是對(duì)全書的總結(jié)和對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的展望。
本書是作者近十年來在從事深空探測自主導(dǎo)航與控制技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，總結(jié)相關(guān)課題的研究成果而成，內(nèi)容集基本原理與方法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)于一體，反映了本領(lǐng)域的研究前沿和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。本書既可作為航天科研人員和工程技術(shù)人員的參考書，也可作為相關(guān)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(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室深空探測制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)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(nèi)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(dān)了部分仿真試驗(yàn)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(duì)本書給予的指導(dǎo)，以及李果研究員、劉良棟研究員和何英姿研究員對(duì)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(jì)劃、國家973計(jì)劃、基礎(chǔ)科研、民用航天、國家自然科學(xué)基金、北京控制工程研究所和空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)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(shù)的研究前沿一一深入探討。書中錯(cuò)誤及不當(dāng)之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
作者
2012年7月于北京
第1章 緒論
1.1 制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制
1.1.1 基本概念
1.1.2 自主控制技術(shù)
1.2 深空探測自主控制的典型任務(wù)
1.2.1 月球探測自主控制技術(shù)
1.2.2 行星探測自主控制技術(shù)
1.2.3 小行星及彗星探測自主控制技術(shù)
1.3 本書的主要內(nèi)容
參考文獻(xiàn)
第2章 光學(xué)成像自主導(dǎo)航與控制基本原理
2.1 參考坐標(biāo)系及坐標(biāo)變換
2.1.1 參考坐標(biāo)系的定義
2.1.2 坐標(biāo)系之間的變換
2.2 時(shí)間系統(tǒng)
2.2.1 時(shí)間系統(tǒng)的定義
2.2.2 儒略日的定義及轉(zhuǎn)換
2.3 導(dǎo)航天體星歷
2.3.1 高精度天體星歷計(jì)算
2.3.2 簡單天體星歷計(jì)算
2.4 航天器軌道動(dòng)力學(xué)模型
2.4.1 軌道攝動(dòng)模型
2.4.2 軌道動(dòng)力學(xué)方程
2.4.3 深空探測器軌道動(dòng)力學(xué)模型
2.5 光學(xué)成像自主導(dǎo)航
2.5.1 基本原理
2.5.2 導(dǎo)航天體的選取與規(guī)劃
2.5.3 導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)天體的自主軌道規(guī)劃方法
2.7 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第3章 導(dǎo)航天體選取與規(guī)劃方法
3.1 導(dǎo)航天體類型及其特點(diǎn)
3.1.1 行星軌道與光學(xué)特性
3.1.2 行星衛(wèi)星軌道與光學(xué)特性
3.1.3 小行星軌道與光學(xué)特性
3.2 導(dǎo)航天體選取標(biāo)準(zhǔn)
3.2.1 太陽相角標(biāo)準(zhǔn)
3.2.2 視星等標(biāo)準(zhǔn)
3.2.3 視運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)
3.2.4 三星概率標(biāo)準(zhǔn)
3.2.5 深空探測器與天體距離標(biāo)準(zhǔn)
3.3 導(dǎo)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(dǎo)航天體最優(yōu)組合選取方法
3.4 導(dǎo)航天體觀測序列規(guī)劃方法
3.4.1 導(dǎo)航天體觀測序列優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)
3.4.2 基于遺傳算法的導(dǎo)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(dǎo)航天體觀測序列規(guī)劃
方法
3.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第4章 導(dǎo)航天體光學(xué)圖像處理方法
4.1 光學(xué)測量原理
4.1.1 光學(xué)成像模型
4.1.2 平移及旋轉(zhuǎn)變換
4.2 星點(diǎn)和星跡圖像處理
4.2.1 星點(diǎn)光學(xué)成像特點(diǎn)
4.2.2 星點(diǎn)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(xué)成像特點(diǎn)
4.3.2 規(guī)則面目標(biāo)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(shí)例
4.4 不規(guī)則天體圖像處理
4.4.1 不規(guī)則天體光學(xué)成像特點(diǎn)
4.4.2 目標(biāo)分割方法
4.4.3 中心提取方法
4.4.4 仿真實(shí)例
4.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第5章 自主導(dǎo)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(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)的可觀度
5.3.1 自主導(dǎo)航系統(tǒng)可觀度分析
5.3.2 狀態(tài)可觀度分析
5.4 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第6章 自主導(dǎo)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(kuò)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(shè)計(jì)
6.2.3 改進(jìn)的魯棒濾波性能分析
6.2.4 基于無模型加速度估計(jì)的自適應(yīng)導(dǎo)航濾波算法
6.3 基于信息融合的深空探測自主導(dǎo)航
6.3.1 多源測量信息融合基本概念
6.3.2 基于光學(xué)成像測量和X射線脈沖星的自主導(dǎo)航
6.3.3 多源信息融合的組合導(dǎo)航性能分析
6.4 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第7章 日心轉(zhuǎn)移軌道段的自主導(dǎo)航與制導(dǎo)
7.1 日心轉(zhuǎn)移軌道段自主導(dǎo)航與制導(dǎo)方案
7.1.1 系統(tǒng)組成與功能
7.1.2 導(dǎo)航敏感器
7.1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
7.2 日心轉(zhuǎn)移軌道段自主導(dǎo)航技術(shù)
7.2.1 導(dǎo)航圖像處理
7.2.2 導(dǎo)航觀測方程
7.2.3 導(dǎo)航狀態(tài)方程
7.2.4 導(dǎo)航參數(shù)的濾波估計(jì)
7.3 日心轉(zhuǎn)移軌道段自主制導(dǎo)技術(shù)
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(yīng)用實(shí)例
7.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第8章 接近軌道段的自主導(dǎo)航與軌道
控制
8.1 接近軌道段自主導(dǎo)航與軌道控制方案
8.1.1 系統(tǒng)組成與功能
8.1.2 導(dǎo)航敏感器
8.1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
8.2 接近軌道段自主導(dǎo)航技術(shù)
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(shù)
8.3.1 基于B平面的制導(dǎo)方法
8.3.2 自主軌道規(guī)劃
8.4 應(yīng)用實(shí)例
8.4.1 接近大天體過程的自主導(dǎo)航與軌道控制
8.4.2 接近小天體過程的自主導(dǎo)航與軌道控制
8.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第9章 環(huán)繞軌道段的自主導(dǎo)航與軌道控制
9.1 環(huán)繞軌道段自主導(dǎo)航與軌道控制方案
9.1.1 系統(tǒng)組成與功能
9.1.2 導(dǎo)航敏感器
9.1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
9.2 環(huán)繞軌道段自主導(dǎo)航技術(shù)
9.2.1 環(huán)繞大天體自主導(dǎo)航
9.2.2 環(huán)繞小天體自主導(dǎo)航
9.3 環(huán)繞軌道段自主軌道控制技術(shù)
9.3.1 環(huán)繞軌道段軌道控制數(shù)學(xué)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(diǎn)高度控制
9.4 應(yīng)用實(shí)例
9.4.1 環(huán)繞火星探測任務(wù)的應(yīng)用
9.4.2 環(huán)繞愛神小行星探測任務(wù)的應(yīng)用
9.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第10章 撞擊軌道段的自主導(dǎo)航與制導(dǎo)
10.1 撞擊軌道段自主導(dǎo)航與制導(dǎo)方案
10.1.1 系統(tǒng)組成與功能
10.1.2 導(dǎo)航敏感器
10.1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
10.2 撞擊軌道段自主導(dǎo)航技術(shù)
10.2.1 自主導(dǎo)航圖像處理
10.2.2 自主軌道確定
10.3 軌道機(jī)動(dòng)
10.3.1 比例導(dǎo)引
10.3.2 預(yù)測制導(dǎo)
10.4 觀測序列規(guī)劃
10.4.1 撞擊時(shí)間的計(jì)算
10.4.2 拍照終止時(shí)間計(jì)算
10.4 3序列規(guī)劃
10.5 應(yīng)用實(shí)例
10.6 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第11章 基于光學(xué)成像測量的自主導(dǎo)航地面試驗(yàn)
11.1 基于光學(xué)成像測量的數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證技術(shù)
11.1.1 靜態(tài)星點(diǎn)成像仿真
11.1.2 動(dòng)態(tài)星跡成像仿真
11.1.3 面目標(biāo)成像仿真
11.1.4 仿真實(shí)例
11.2 轉(zhuǎn)移軌道段自主導(dǎo)航半物理仿真試驗(yàn)
11.2.1 試驗(yàn)方案
11.2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成
11.2.3 試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口與信息流程
11.2.4 試驗(yàn)實(shí)例
11.2.5 外場觀星試驗(yàn)
11.3 環(huán)繞軌道段自主導(dǎo)航半物理仿真試驗(yàn)
11.3.1 試驗(yàn)方案
11.3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成
11.3.3 試驗(yàn)實(shí)例
11.4 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第12章 深空探測自主控制發(fā)展展望
參考文獻(xiàn)
全書縮略語和專有名詞對(duì)照表
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