目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 研究背景及意義 2
1.2.1 研究背景 2
1.2.2 研究意義 3
1.3 火星探測器進入、下降與著陸過程 4
1.4 EDL各階段研究現(xiàn)狀及存在問題 11
1.4.1 進入段研究現(xiàn)狀和存在問題 11
1.4.2 傘降段研究現(xiàn)狀和存在問題 18
1.4.3 動力下降段研究現(xiàn)狀和存在問題 22
1.4.4 著陸段研究現(xiàn)狀和存在問題 22
1.5 本書結構 23
第2章 火星探測器EDL過程動力學模型 25
2.1 引言 25
2.2 EDL過程坐標系、旋轉矩陣 25
2.3 火星基本環(huán)境參數(shù) 29
2.4 “好奇號”探測器模型 30
2.4.1 進入段三自由度動力學模型 32
2.4.2 進入段六自由度動力學模型 35
2.5 進入段相關參數(shù) 36
2.6 進入段導航測量模型 37
2.6.1 IMU測量模型 38
2.6.2 火星軌道器觀測模型 39
2.6.3 火星表面信標測量模型 41
2.7 傘降段開傘條件的確定 42
2.8 動力下降段模型 43
2.9 著陸段模型 45
2.10 本章總結 45
第3章 火星探測器進入段通信黑障問題研究 46
3.1 通信黑障問題研究 46
3.1.1 黑障形成過程 46
3.1.2 黑障成因分析 47
3.1.3 黑障區(qū)間估計 48
3.1.4 通信黑障仿真 50
3.2 無線衰落信道下探測器導航濾波算法 52
3.2.1 進入段無線衰落信道統(tǒng)計特性 52
3.2.2 無線空間通信信道建模 53
3.2.3 等離子體信道建模 54
3.2.4 通信間歇觀測 55
3.3 信號衰落下進入段導航算法 56
3.4 無線衰落條件下導航濾波仿真 58
3.4.1 仿真初始條件 58
3.4.2 IMU和無線電組合導航 61
3.5 本章總結 63
第4章 火星探測器進入段導航策略問題研究 64
4.1 觀測模型 64
4.2 進入段導航策略仿真 64
4.3 進入段組合導航方案的可觀性分析 69
4.3.1 基于觀測矩陣條件數(shù)的可觀性分析 70
4.3.2 狀態(tài)可估計性分析 71
4.3.3 導航方案的數(shù)值仿真和分析 71
4.4 進入段不確定參數(shù)下的弱敏感導航濾波算法 76
4.4.1 弱敏感濾波算法設計 77
4.4.2 數(shù)值仿真和分析 79
4.5 迸入段不確定參數(shù)和未知擾動下的新型自適應插值濾波算法 85
4.5.1 普通的插值濾波算法 86
4.5.2 新型的自適應插值濾波算法 89
4.5.3 火星進入導航系統(tǒng)數(shù)值仿真和分析 92
4.5.4 緊耦合非線性隨機系統(tǒng)數(shù)值仿真和分析 96
4.6 進入段狀態(tài)模型偏差和測量異常值下的自適應胡貝爾插值濾波算法 98
4.6.1 胡貝爾插值濾波算法和自適應胡貝爾插值濾波算法的引出過程 99
4.6.2 胡貝爾插值濾波算法和自適應胡貝爾插值濾波算法的執(zhí)行過程 102
4.6.3 數(shù)值仿真和分析 105
4.7 本章總結 108
第5章 火星探測器大氣進入段制導與控制問題研究 110
5.1 基于自抗擾的阻力跟蹤制導控制 110
5.1.1 自抗擾控制技術 111
5.1.2 標稱軌跡和控制律的設計 115
5.1.3 自抗擾跟蹤控制律設計 118
5.1.4 仿真結果和分析 119
5.2 基于滑模和擴張狀態(tài)觀測器的進入段軌跡跟蹤控制 123
5.2.1 問題描述 123
5.2.2 主要結果 124
5.2.3 仿真與分析 127
5.3 基于高階滑模和擴張狀態(tài)觀測器的進入段軌跡跟蹤控制 135
5.3.1 問題描述 135
5.3.2 主要結果 137
5.3.3 仿真與分析 141
5.4 基于非奇異全階滑模和擴張狀態(tài)觀測器的進入段軌跡跟蹤控制 149
5.4.1 問題描述 150
5.4.2 主要結果 150
5.4.3 仿真與分析 155
5.5 基于預測校正算法的進入段制導與控制問題研究 164
5.5.1 縱向預測校正算法 165
5.5.2 航向調整 168
5.5.3 改進的預測校正算法 169
5.5.4 仿真結果 169
5.6 本章總結 173
第6章 火星探測器傘降段建模與穩(wěn)定性問題研究 175
6.1 附加質量問題研究 175
6.1.1 流體運動學方程 175
6.1.2 物傘系統(tǒng)在流體中運動時的數(shù)學方程 176
6.1.3 物體在無窮域中適動時的“附加質量” 177
6.1.4 物傘系統(tǒng)“附加質量”矩陣研究 181
6.2 物傘系統(tǒng)開傘階段研究 184
6.2.1 降落傘充氣過程的分析與建模 184
6.2.2 仿真驗證 188
6.3 物傘系統(tǒng)六自由度數(shù)學模型和穩(wěn)定性分析 191
6.3.1 物傘系統(tǒng)六自由數(shù)學模型的建立與分析 191
6.3.2 物傘系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 194
6.3.3 系統(tǒng)仿真 198
6.4 本章總結 201
第7章 火星探測器動力下降段反饋制導問題研究 203
7.1 動力下降段模型和約束 204
7.2 ZEM/ZEV 204
7.3 改進的ZEM/ZEV最優(yōu)反饋制導律設計 205
7.4 蒙特卡羅仿真 208
7.5 本章總結 211
第8章 火星探測器著陸段視覺導航問題研究 212
8.1 圖像預處理 212
8.1.1 噪聲處理 213
8.1.2 邊緣檢測 213
8.1.3 霍夫變換 214
8.1.4 隕石坑區(qū)域提取 215
8.2 圖像特征提取與匹配算法 216
8.2.1 SIFT算法 216
8.2.2 ASIFT算法 222
8.3 基于隕石坑擬合橢圓的著陸器位姿估計算法 224
8.3.1 坐標系確立 224
8.3.2 運動約束方程建立 225
8.3.3 位姿估計 226
8.3.4 仿真及結果分析 227
8.4 基于卷積神經網(wǎng)絡的火星探測器路徑規(guī)劃算法 233
8.4.1 問題描述 233
8.4.2 火星圖像預處理 234
8.4.3 卷積神經網(wǎng)絡模型 235
8.4.4 訓練數(shù)據(jù)與結果 236
8.5 本章總結 237
第9章 火星探測器EDL過程Unity3D仿真實現(xiàn) 238
9.1 虛擬物體的建模 238
9.1.1 火星探測器的模型 238
9.1.2 火星降落傘的模型 240
9.1.3 火星大氣環(huán)境模型 241
9.2 進入段仿真平臺的搭建 241
9.2.1 ADRC制導方法的仿真實現(xiàn) 242
9.2.2 UDP傳輸接口設計 242
9.2.3 Unity3D界面設計 243
9.3 傘降段仿真平臺的搭建 243
9.3.1 開傘過程的導入設計 243
9.3.2 穩(wěn)定下降段界面設計與程序調試 243
9.4 動力下降段與著陸段仿真平臺的搭建 244
9.5 EDL過程仿真平臺搭建 245
9.6 本章總結 246
參考文獻 247