基于光學(xué)成像測量的深空探測自主控制原理與技術(shù)

前言

　　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(wù)環(huán)境更復(fù)雜，因此，僅依賴地面測控網(wǎng)進行導(dǎo)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(wù)階段對高精度實時導(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；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)的估計問題，包括第3~6章，對于導(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；對于導(dǎo)航參數(shù)的估計問題，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技術(shù)。第四部分即第12章，是對全書的總結(jié)和對技術(shù)發(fā)展趨勢的展望?！　”緯亲髡呓陙碓趶氖律羁仗綔y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)計和試驗技術(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。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?！　”緯筛暹^程中，得到了空間智能控制技術(shù)重點實驗室深空探測制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)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(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(dǎo)，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(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?！　∩羁仗綔y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。書中錯誤及不當(dāng)之處，懇請讀者批評指正。　　作者　　2012年7月于北京

內(nèi)容概要

　　《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，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。

書籍目錄

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 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(zhuǎn)換 2.3導(dǎo)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(xué)模型 2.4.1軌道攝動模型 2.4.2軌道動力學(xué)方程 2.4.3深空探測器軌道動力學(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8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(jié) 參考文獻 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 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(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)化標準 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 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星點和星跡圖像處理 4.2.1 星點光學(xué)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(xué)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(xué)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(jié) 參考文獻 …… 第6章 自主導(dǎo)航濾波與信息融合方法 第7章 日心轉(zhuǎn)移軌道段的自主導(dǎo)航與制導(dǎo) 第8章接近軌道段的自主導(dǎo)航與軌道控制 第9章環(huán)繞軌道段的自主導(dǎo)航與軌道控制 第10章撞擊軌道段的自主導(dǎo)航與制導(dǎo) 第11章甚干光學(xué)成像測量的自主導(dǎo)航地面試驗 第12章深空探測自主控制發(fā)展展望 參考文獻 全書縮略語和專有名詞對照表

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   6.3 基于信息融合的深空探測自主導(dǎo)航 隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，深空探測器對自主導(dǎo)航精度和可靠性的要求越來越高。僅靠單一導(dǎo)航敏感器進一步提高自主導(dǎo)航系統(tǒng)精度和可靠性的難度較大。在應(yīng)用光學(xué)成像測量實施自主導(dǎo)航的基礎(chǔ)上，融合其他測量設(shè)備提供的信息，構(gòu)建基于多源信息融合的深空探測器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅能夠增加自主導(dǎo)航測量信息，還有助于增強自主導(dǎo)航系統(tǒng)的容錯能力。 6.3.1 多源測量信息融合基本概念 6.3.1.1 多源測量信息融合的定義和特點 目前關(guān)于多源測量信息融合比較通用的定義可概括為：利用計算機技術(shù)對按時序獲得的若干敏感器觀測信息在一定準則下進行自動分析綜合以完成估計或決策任務(wù)而進行的信息處理過程。按照這一定義，多源測量信息系統(tǒng)是信息融合的硬件基礎(chǔ)，多源測量信息是信息融合的加工對象，協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理是信息融合的核心。隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可供深空探測器利用的導(dǎo)航信息源越來越多，這為多源測量信息融合的應(yīng)用提供了技術(shù)保障。 多源測量信息融合將不同來源、不同時間和不同形式的信息進行綜合，從而得到被感知對象更精確的描述。多源測量信息融合技術(shù)常用于建立組合導(dǎo)航系統(tǒng)。通過多源測量信息融合，可以得到單個導(dǎo)航敏感器難以達到的性能。信息融合的功能特點可以概括為以下幾個方面。 （1）高精度 基于多源測量信息融合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)運用多個敏感器的非相似導(dǎo)航信息進行導(dǎo)航解算，可利用測量信息增多，對提高自主導(dǎo)航系統(tǒng)的精度十分有利。此外，利用多信息融合技術(shù)還可以實現(xiàn)自主導(dǎo)航敏感器系統(tǒng)偏差的自校準，從而減弱模型不確定性對自主導(dǎo)航精度的影響。如將光學(xué)成像測量與全球定位系統(tǒng)信息組合，可以實現(xiàn)光學(xué)成像敏感器相對安裝偏差的估計和校準。 （2）互補性 基于多源測量信息融合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)綜合利用了各種導(dǎo)航敏感器的信息，各個導(dǎo)航子系統(tǒng)能夠取長補短，擴大整個自主導(dǎo)航系統(tǒng)在空間和時間上的適用范圍。如將加速度計與光學(xué)成像測量組合，可以提高深空探測器軌道機動期間的軌道外推精度；將光學(xué)成像測量與X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)組合，有助于縮短X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)輸出導(dǎo)航信息的時間間隔。 （3）可靠性 從多個導(dǎo)航敏感器中提取出來的導(dǎo)航信息存在一定冗余，當(dāng)某些導(dǎo)航敏感器發(fā)生故障時，多敏感器實現(xiàn)的冗余測量可以提高整個系統(tǒng)的可靠性?；诙嘣礈y量信息融合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其發(fā)展方向是具有故障診斷和系統(tǒng)重構(gòu)功能的容錯組合導(dǎo)航系統(tǒng)。 考慮到通過多源測量信息融合獲得的信息具有高精度、互補性和高可靠性等特點，對于深空探測器而言，在應(yīng)用光學(xué)成像測量實現(xiàn)自主導(dǎo)航的基礎(chǔ)上，融合其他輔助測量設(shè)備提供的信息進行組合導(dǎo)航，有助于提升深空探測器自主導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。

編輯推薦

《基于光學(xué)成像測量的深空探測自主控制原理與技術(shù)》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)研究生的教材。

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