目錄
第１章緒論１
１?１地外天體著陸任務２
１?１?１月球著陸任務２
１?１?２小天體著陸任務５
１?１?３行星著陸任務８
１?１?４地外天體著陸任務特點１０
１?２面臨問題與研究現狀１３
１?２?１天體表面模型與引力場建模１３
１?２?２星表特征提取與障礙檢測１９
１?２?３導航狀態確定與估計濾波２５
１?２?４著陸軌跡規劃與制導控制２８
１?３本書主要內容３３
參考文獻３６
第２章基於圖像信息的天體模型４０
２?１天體圖像特征點提取匹配算法４０
２?１?１圖像特征點提取算法４０
２?１?２圖像特征點匹配篩選算法４４
２?２基於特征點的天體點雲模型構建４７
２?２?１相機模型的建立４７?
２?２?２天體模型點雲構建４９
２?３天體點雲模型的網格化方法５２
參考文獻５８
第３章天體引力場快速預測方法６１
３?１傳統引力場建模方法６２
３?２基於插值的引力場建模方法７０
３?３基於機器學習的引力場建模方法７２
３?３?１預測模型數據選取７２
３?３?２預測模型建立７３
３?３?３預測模型訓練７５
３?３?４預測精度分析７６
參考文獻９１
第４章著陸星表特征提取與處理方法９４
４?１星表特征提取方法的基本原理９４
４?２基於支持向量機的特征預檢測方法９５
４?２?１隕石坑模擬模型９６
４?２?２隕石坑圖像模擬９７
４?２?３基於HOG特征的支持向量機分類方法１０２
４?２?４支持向量機分類學習方法１０３
４?３基於聚類分析的特征點篩選方法１０４
４?３?１基於局部密度的點簇聚類方法１０４
４?３?２隕石坑篩選與標記１０６
４?４基於深度學習的隕石坑檢測方法１０７
４?４?１隕石坑數據集１０７
４?４?２Unet網絡模型１０７
４?４?３損失函數設置１０９
４?４?４訓練設置１０９
４?４?５評價指標１１０
４?４?６實驗結果分析１１０
參考文獻１１２
第５章著陸自主位姿確定方法１１６
５?１基於視線測量的自主光學導航方法１１６
５?１?１相關坐標繫定義１１６
５?１?２視線測量導航１１８
５?２導航方案可觀測性分析１２０
５?２?１可觀測性的分析方法１２０
５?２?２繫統可觀測性分析１２１
５?３導航濾波算法設計１２４
５?３?１狀態方程與觀測方程１２４
５?３?２擴展卡爾曼濾波器設計１２６
參考文獻１２７
第６章行星進入軌跡優化與評估方法１３０
６?１進入段可達集優化求解方法１３０
６?１?１可達集的相關定義１３１
６?１?２可達集的計算方法１３２
６?２基於終端高度的進入軌跡優化求解１３５
６?２?１行星進入軌跡生成１３６
６?２?２進入段終端高度快速評估方法１３６
６?３進入軌跡特性分析與飛行能力評估１３８
６?３?１進入軌跡特性分析１３８
６?３?２飛行能力與風險評估１５０
參考文獻１５５
第７章安全著陸軌跡規劃與制導方法１５７
７?１著陸地形危險障礙檢測方法１５７
７?１?１岩石與隕石坑障礙檢測方法１５７
７?１?２陡坡地形與斷層障礙檢測方法１５８
７?２基於特征分布統計信息的行星地形安全評估準則１５９
７?２?１特征密度的統計信息計算１６０
７?２?２基於特征密度因子的地形安全評估準則１６１
７?３基於李雅普諾夫函數的著陸軌跡設計１６３
７?３?１勢函數軌跡設計方法１６３
７?３?２著陸地形危險性函數１６５
參考文獻１６８
第８章著陸導航制導綜合仿真實驗１７１
８?１仿真實驗設計１７１
８?２實驗環境的搭建１７３
８?３綜合仿真實驗分析１７５
８?３?１路標模型精度對導航精度的影響１８０
８?３?２狀態初值偏差對導航精度的影響１８２
８?３?３不同地形環境下勢函數制導可靠性分析１８４
參考文獻１８７

前言
遨遊宇宙、探索深空是人類一直以來美好的願景.１９５７年世界
顆人造地球衛星的成功發射,為人類揭開了開拓外層空間的新
篇章,隨後深空探測也日益成為人類重要的航天活動領域.人類通
過對地球以外其他星體的探測,了解行星的起源和演化規律,探索
和揭示生命的由來及其在宇宙中的發展,進一步認識地球環境的形
成和演變,並為開發空間資源、保護地球免受其他小天體踫撞開闢
道路.探測地外天體對人類的持續生存和不斷向地球以外的空間擴
展有著重要的現實意義.
人類已經渡過了深空探測的初級階段, 正在向中級階段邁進.
對地外天體的探測方式也從飛越、交會、繞飛發展到著陸、巡視與
采樣返回.在地外天體著陸是實現對地外天體近距離觀測、研究以
及資源開發利用的關鍵,同時也是獲取具有更大科學價值信息的重
要途徑.近年來,地外天體著陸探測無論在深度還是廣度上都取得
了巨大的成就,而推動著陸探測發展的原動力則是科學技術的進步.
科學技術是人類破解科學難題的手段和工具,而距離地球遙遠是實
施地外天體著陸探測任務所面臨的首要科技難題.早期的地外天體
著陸任務,探測器更多地會依件對探測器實現位姿的導航功能,但是由於慣性導航對初始位置的要求以件自身
的測量誤差,會導致著陸時刻著陸器獲得的位置和速度存在較
大的偏差.同時,地外天體表面的情況復雜,先驗信息匱乏,如何
及時應對著陸環境的不確知因素也是迫切需要考慮的問題.正是這
些問題的出現,促進了自主導航與制導技術的快速發展.
本書圍繞地外天體著陸的特殊環境與約束問題, 從天體模型、
引力場表征、星表特征提取、著陸位姿確定、著陸軌跡規劃等多個
方面,繫統地介紹著陸自主光學導航與制導的基礎理論與技術方法,
包括基於圖像信息的天體建模方法、天體引力場快速預測方法、著
陸星表特征提取與處理方法、著陸自主位姿確定方法、安全著陸軌
跡規劃與制導方法,並通過以實際著陸探測任務為背景,結合著陸
過程的不同階段與不同外界條件,給出了綜合導航制導與控制繫統
典型設計案例.書中既包括地外天體著陸自主導航與制導的基礎理
論,又含有新穎的自主光學導航與制導繫統設計思想與實用方法.
本書可供從事深空探測相關工作的研究人員和科技工作者閱讀,也
可作為高等院校相關專業的教學參考書.
感謝國家自然科學基金(１１８７２１１０)和北京理工大學“十四五”
規劃教材出版基金對本書的資助.
本書包含了作者研究團隊的相關研究成果,多位已畢業研究生
的研究工作為本書的撰寫提供了支撐,在此一並致謝.由於作者水
平有限,書中難免存在疏漏和不足之處,懇請廣大讀者不吝指正.
作者