了得網工業技術_深空探測器自主導航與制導

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深空探測是人類對深空環境和天體開展的探測活動。與地球衛星相比,深空探測器距離地球遠、傳輸時滯大、實時測控難,僅依靠地面測控難以滿足探測器的實時性要求,因此,探測器的自主管理成為深空探測領域的關鍵問題之一。本書是針對探測器自主管理的核心問題——自主導航與制導展開研究，具有十分寶貴的教育意義和借鋻價值。

作者簡介

崔平遠，北京理工大學教授，工信部“深空自主導航與控制”重點實驗室主任，國家973計劃首席科學家。兼任863計劃航天航空技術領域主題專家組成員，國家科技獎勵評審專家，國防科學技術獎評審組副組長，國務院學位委員會航空宇航科學與技術學科評議組成員，享受國務院頒發的政府特殊津貼。高艾，2003年至2012年哈爾濱工業大學學習，獲學士、博士學位。2012年8月進入北京理工大學宇航學院工作至今。朱聖英，2000年至2009年哈爾濱工業大學學習，獲學士、博士學位。2009年11月進入北京理工大學宇航學院工作至今。

第1章緒論

11引言

111深空與深空探測

112深空探測典型任務

12深空探測器的導航問題

121探測器導航與測控

122探測器制導與控制

13深空探測器自主導航

14本書主要內容

參考文獻
第2章自主導航模型與方法

21動力學繫統模型

211坐標繫與時間繫統

212軌道動力學方程

22導航觀測模型

221近天體視線角測量模型

222夾角信息測量模型

223徑向速度測量模型

224距離測量模型

225脈衝星測量模型

23導航敏感器

231光學敏感器

232慣性

233測距測速敏感器

234可變輻射信號敏感器

24導航幾何分析法

241導航位置面

242探測器位置確定

243探測器姿態確定

244天體特性參數確定

25探測器自主軌道確定

251自主軌道確定原理

252自主軌道確定方法

參考文獻
第3章自主導航繫統性能分析

31自主導航繫統的可觀性分析

311自主導航繫統可觀性判別

312自主導航繫統可觀性度量

32自主導航繫統的非線性強度分析

321非線性強度定義

322非線性強度判別

33自主導航繫統的穩定性分析

34自主導航繫統的精度分析

341狀態誤差橢圓

342狀態誤差傳遞

343導航繫統的誤差界

參考文獻
第4章自主導航信息處理

41星際巡航段信息處理

411星際巡航段導航信息特點

412星際巡航段導航信息處理

413暗弱星點拖曳圖像中心特征提取

42接近交會段信息處理

421接近交會段導航信息特點

422接近交會段導航信息處理

423不規則目標天體幾何形心獲取

43環繞伴飛段信息處理

431環繞伴飛段導航信息特點

432環繞伴飛段導航信息處理

433復雜形貌特征魯棒識別匹配

44下降著陸段信息處理

441下降著陸段導航信息特點

442下降著陸段導航信息處理

443星表形貌識別與著陸點確定

參考文獻
第5章星際巡航段自主導航

51星際巡航任務特點

52星際巡航段自主導航方法

521小行星篩選與規劃

522多小行星圖像自主導航方法

53巡航姿態機動規劃與控制

531姿態機動規劃與控制問題

532單軸隨機擴展大角度機動規劃

533多約束下姿態機動規劃與控制

參考文獻
第6章接近交會段自主導航與制導

61接近交會任務特點

62接近交會段自主導航方法

621地面輔助的光學導航方法

622目標天體圖像自主導航方法

63接近交會段自主制導方法

631自主交會比例制導方法

632自主交會預測制導方法

參考文獻
第7章環繞伴飛段自主導航

71環繞伴飛任務特點

72目標天體導航特征庫構建方法

721序列圖像觀測模型

722弱透視近似透視投影變換

723基於因式分解算法的三維重構及狀態估計

724丟失及新增特征點的處理

725不確定性分析

726實例應用與分析

73環繞伴飛段自主導航方法

731目標天體物理參數估計方法

732目標天體特征自主導航方法

參考文獻
第8章下降著陸段自主導航與制導

81下降著陸任務特點

82下降著陸段自主導航方法

821多特征圖像光學導航方法

822三矢量信息組合導航方法

83下降著陸段自主制導方法

831多項式制導算法

832能量制導算法

833多約束著陸軌跡優化方法

834路徑點優化反饋制導算法

參考文獻
第9章自主導航與制導繫統仿真

91仿真繫統的功能與結構

911仿真繫統設計

912數學仿真繫統

913半物理仿真繫統

92小天體撞擊自主導航與制導半物理仿真

921小天體撞擊任務分析

922仿真繫統設計

923典型任務仿真實例

93小天體附著自主導航與制導半物理仿真

931小天體附著任務分析

932仿真繫統設計

933典型任務仿真實例

94火星著陸自主導航與制導數學仿真

941火星著陸任務分析

942仿真繫統設計

943典型任務仿真實例

參考文獻

前言

深空探測是人類對深空環境和天體開展的探測活動。它是伴隨人類航天科技水平和能力提升而發展的又一航天活動重點領域。與地球衛星相比，深空探測器距離地球遠、傳輸時滯大、實時測控難，僅依靠地面測控難以滿足探測器的實時性要求，因此，探測器的自主管理成為深空探測領域的關鍵問題之一。本書是針對探測器自主管理的核心問題——自主導航與制導，在作者多年從事深空探測器自主導航與制導方面研究工作的基礎上，參考相關優秀文獻而完成的。期待本書能為我國深空探測任務的規劃、設計與實現提供相應的理論方法。

全書共9章。第1章介紹深空導航與測控、自主導航與制導的特點及其相關的基本問題；第2章從深空動力學繫統建模、導航觀測模型與分析、深空軌道自主確定等問題出發，介紹深空探測器自主導航基本原理；第3章圍繞深空自主導航繫統特點，分別從導航繫統可觀性、非線性、穩定性與精度評價四個方面介紹自主導航繫統性能分析理論與方法；第4章針對自主導航繫統信息獲取與處理問題，給出探測器不同飛行階段的自主導航信息處理理論與方法；第5～8章針對深空探測器各飛行階段特點，分別給出了星際巡航段、接近交會段、環繞伴飛段、下降著陸段的自主導航與制導方法；第9章結合小天體撞擊、小天體附著、火星著陸三類典型任務，分析並給出了深空探測器自主導航與制導繫統設計方法，同時介紹了三類典型任務的仿真實例。

本書圍繞深空探測器自主導航與制導的特殊環境與約束問題，繫統介紹了深空探測器自主導航與制導的基礎理論，給出了探測器不同飛行階段的自主導航與制導方法，包括基於暗弱目標的星際巡航段自主導航方法、基於天體視線信息的接近段自主導航與交會制導方法、基於路標信息的繞飛天體參數自主確定方法、基於矢量測量的著陸狀態自主估計方法。書中既包括深空探測自主導航與制導的基礎理論，又含有新穎的自主導航與制導繫統設計思想和實用方法。本書的主要讀者為從事深空探測領域相關工作的研究人員和科技工作者，也可作為高等院校相關專業的教學參考書。

本書初稿完成於2012年秋，幾經修改，前後歷時3年。其間，在國家973計劃項目的資助下，補充完善了研究結果，同時得到了欒恩傑院士的精心指導。回顧十六年前欒恩傑院士引領我們進入深空探測領域開始耕耘，其情景仍歷歷在目，借此《深空探測器自主導航與制導》專著出版的機會，對欒恩傑院士的引領、指導和鼓勵表示衷心的感謝。

本書包含了作者所在研究團隊的相關研究成果，多位已畢業博士和碩士的研究工作為本書的撰寫提供了支持，在此一並致謝。

本書的出版得到了“航天科技圖書出版基金”的資助，同時得到了“國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目（2012CB720000）”的資助。

由於作者水平所限，書中難免存在疏漏不足之處，懇請廣大讀者不吝指正。

作者
二〇一六年五月於北京

彭小波2015年6月

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