深空探測器自主天文導(dǎo)航方法

前言

隨著我國航天和國防技術(shù)的發(fā)展以及載人航天、月球探測和深空探測等重大專項的實施，自主導(dǎo)航技術(shù)日益成為影響深空探測器自主運行和管理的技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)地面測控和衛(wèi)星導(dǎo)航必須依賴測控通信系統(tǒng)，缺乏自主性；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)難以應(yīng)用于長時間自由飛行的深空探測器，且誤差隨時間積累。天文導(dǎo)航具有自主性強、精度高、誤差不隨時間積累、抗干擾能力強以及可提供位置和姿態(tài)信息等優(yōu)點，是實現(xiàn)深空探測器自主導(dǎo)航的有效手段之一。筆者及課題組成員于20世紀90年代末開始從事深空探測器自主天文導(dǎo)航技術(shù)的研究工作，取得了大量的研究成果。本書即為該方向最新研究成果的總結(jié)與提煉，書中同時也參考了國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的最新研究進展。全書內(nèi)容共分9章。第1章——緒論，是深空探測器自主導(dǎo)航和天文導(dǎo)航的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜述。第2章——深空探測器自主天文導(dǎo)航的基本原理，簡要介紹了天文導(dǎo)航的基本原理以及常用坐標系、軌道和姿態(tài)動力學(xué)及濾波方法等基礎(chǔ)知識。第3章——近地停泊軌道上深空探測器的自主天文導(dǎo)航方法，主要是針對現(xiàn)有天文導(dǎo)航方法的不足，提出了兩種新方法，提高了導(dǎo)航精度和可靠性。第4章——近地停泊軌道上深空探測器自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)的性能分析，針對工程應(yīng)用的要求，系統(tǒng)地論述了濾波方法、濾波參數(shù)和星敏感器安裝方位等對系統(tǒng)導(dǎo)航性能的影響。第5章——月球探測器的自主天文導(dǎo)航方法，主要針對月球探測器，論述了月球探測器在環(huán)月軌道（月球衛(wèi)星）上和地月轉(zhuǎn)移軌道上的天文和組合導(dǎo)航方法。第6章——火星及其他行星際探測器的自主天文導(dǎo)航方法，專門論述了火星及其他行星際探測器的自主天文導(dǎo)航方法，包括深空探測器在一般轉(zhuǎn)移軌道上和特殊的借力飛行軌道上的自主天文導(dǎo)航方法，并簡要介紹了新穎的基于X射線脈沖星的導(dǎo)航方法。第7章——行星探測漫游車的自主天文導(dǎo)航方法，主要論述了行星探測漫游車在探測行星表面上的自主天文和組合導(dǎo)航方法，包括月球車和火星車的自主天文和天文／慣性導(dǎo)航方法。第8章——深空探測器自主天文導(dǎo)航的計算機仿真實驗和半物理仿真實驗，介紹了深空探測器自主天文導(dǎo)航的計算機仿真實驗和半物理仿真實驗。第9章——總結(jié)與展望，對深空探測器自主天文導(dǎo)航技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進行了展望。本書內(nèi)容涉及多門學(xué)科前沿，內(nèi)容新穎，由于筆者水平、時間有限，難免存在不妥和錯誤之處，懇請廣大同行、讀者批評指正。最后感謝在本書的撰寫、評審和出版過程中所有給予關(guān)心、支持和幫助的人們！

內(nèi)容概要

本書針對國防基礎(chǔ)科研單位和相關(guān)工程部門對深空探測器自主天文導(dǎo)航技術(shù)的迫切需求，在總結(jié)多年科研成果的基礎(chǔ)上，詳細、深入地論述了深空探測器自主天文導(dǎo)航的基本原理、理論與應(yīng)用方法。主要內(nèi)容包括深空探測器自主天文導(dǎo)航的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，相關(guān)基礎(chǔ)知識和基本理論，近地停泊軌道上、轉(zhuǎn)移軌道上深空探測器和行星探測漫游車的自主天文導(dǎo)航方法，深空探測器自主天文導(dǎo)航的計算機仿真實驗和半物理仿真實驗等。    本書既可作為相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)人員的參考書，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)高年級本科生和研究生的教學(xué)參考書。

書籍目錄

第1章  緒論　1.1  深空探測器的自主導(dǎo)航技術(shù)　　1.1.1  深空探測器在近地停泊軌道上的自主導(dǎo)航技術(shù)    1.1.2  深空探測器在轉(zhuǎn)移軌道上的自主導(dǎo)航技術(shù)    1.1.3  深空探測漫游車的自主導(dǎo)航技術(shù)  1.2  深空探測器自主天文導(dǎo)航方法    1.2.1  深空探測器在近地停泊軌道上的自主天文導(dǎo)航方法    1.2.2  深空探測器在轉(zhuǎn)移軌道上的自主天文導(dǎo)航方法    1.2.3  深空探測漫游車的自主天文導(dǎo)航方法  1.3  本章小結(jié)  參考文獻第2章  深空探測器自主天文導(dǎo)航的基本原理  2.1  引言  2.2  深空探測器自主天文導(dǎo)航的原理簡介    2.2.1  近地停泊軌道上深空探測器自主天文導(dǎo)航的原理簡介    2.2.2  轉(zhuǎn)移軌道上深空探測器自主天文導(dǎo)航的原理簡介    2.2.3  深空探測漫游車自主天文導(dǎo)航的原理簡介  2.3  常用坐標系    2.3.1  慣性坐標系    2.3.2  軌道坐標系    2.3.3  星體坐標系    2.3.4  地理坐標系  2.4  深空探測器的軌道運動    2.4.1  多體問題和限制性三體問題    2.4.2  地月飛行的軌道運動    2.4.3  行星際飛行的軌道運動    2.4.4  轉(zhuǎn)移軌道的類型  2.5  深空探測器的姿態(tài)運動    2.5.1  方向余弦、歐拉角和四元數(shù)    2.5.2  方向余弦、歐拉角和四元數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系    2.5.3  姿態(tài)運動學(xué)方程    2.5.4  姿態(tài)動力學(xué)方程  2.6  深空探測器自主導(dǎo)航的濾波方法    2.6.1  擴展卡爾曼濾波    2.6.2  Unscented卡爾曼濾波    2.6.3  粒子濾波    2.6.4  多模型濾波　2.7  本章小結(jié)　參考文獻第3章  近地停泊軌道上深空探測器的自主天文導(dǎo)航方法  3.l  引言  3.2  近地停泊軌道上深空探測器自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)模型的建立    3.2.1  近地停泊軌道上深空探測器的軌道動力學(xué)精確建模    3.2.2  直接敏感地平的自主天文導(dǎo)航方法    3.2.3  間接敏感地平的自主天文導(dǎo)航方法  3.3  一種基于UPF的直接敏感地平和間接敏感地平相結(jié)合的天文導(dǎo)航方法    3.3.1  系統(tǒng)模型的建立    3.3.2  基于信息融合的UPF濾波方法    3.3.3  仿真結(jié)果與分析  3.4  一種天文/Doppler組合導(dǎo)航新方法      3.4.1  系統(tǒng)模型的建立    3.4.2  基于UPF的組合導(dǎo)航方法    3.4.3  仿真結(jié)果與分析  3.5  本章小結(jié)  參考文獻第4章  近地停泊軌道上深空探測器自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)的性能分析  4.1  引言  4.2  濾波方法的選擇及優(yōu)化    4.2.1  三種方法在不同濾波周期下的導(dǎo)航性能比較    4.2.2  三種方法在不同噪聲分布下的導(dǎo)航性能比較    4.2.3  三種方法的計算量比較  4.3  UPF中UKF參數(shù)的選擇及優(yōu)化方法    4.3.1  參數(shù)t的選擇    4.3.2  參數(shù)Q的選擇      4.3.3  參數(shù)R的選擇    4.4  粒子數(shù)和重采樣方法的選擇及優(yōu)化方法    4.4.1  粒子個數(shù)的選擇    4.4.2  重采樣方法的選擇  4.5  星敏感器最佳安裝方位的確定及可觀測分析    4.5.1  基于PWCS和混合條件數(shù)的自主天文導(dǎo)航可觀測度分析方法    4.5.2  星敏感器安裝坐標系的建立　……第5章　月球探測器的自主天文導(dǎo)航方法第6章　火星及其他行星際探測器的自主天文導(dǎo)航方法第7章　行星探測漫游車的自主天文導(dǎo)航方法第8章　深空探測器自主天文導(dǎo)航的計算機仿真實驗和半物理仿真實驗第9章　總結(jié)與展望參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：隨著深空探測任務(wù)的增多，深空探測器在轉(zhuǎn)移軌道上的自主導(dǎo)航已經(jīng)成為一項亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，而自主天文導(dǎo)航則是適于轉(zhuǎn)移軌道深空探測器的一種有效的自主導(dǎo)航手段。由于不同的深空探測器其運行軌道各不相同，所受引力作用也各不相同，因此對不同的深空探測器必須根據(jù)其具體情況建立與之相適應(yīng)的軌道動力學(xué)模型，選擇最適合的濾波方法。本章在前人研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了不同軌道上深空探測器的自主天文導(dǎo)航方案。首先針對行星際轉(zhuǎn)移軌道上的深空探測器與地月轉(zhuǎn)移軌道上的深空探測器相比，不僅掙脫了地球引力的束縛，航行時間更長，并且在軌道運行中所受太陽及各行星引力的大小會隨其位置的變化而變化，導(dǎo)致其軌道模型參數(shù)也隨之變化這一問題，提出了一種可自適應(yīng)調(diào)節(jié)模型參數(shù)的改進的MMUPF方法，將該方法用于火星探測器自主天文導(dǎo)航中，顯著降低了計算量，并提高了導(dǎo)航精度。其次，由于探測較遠星球的深空探測器在途中往往需要多次借力飛行，而其借力過程中軌道參數(shù)變化較大，難以建立精確的軌道動力學(xué)模型，如果采用不精確的模型進行濾波計算會引起濾波發(fā)散，帶來極大的估計誤差，針對該問題，提出了一種將深空探測器的純天文幾何解析方法和濾波方法相結(jié)合的導(dǎo)航新方法，解決了上述問題，保證了探測器在借力飛行時也可實現(xiàn)自主天文導(dǎo)航。最后，探索了新穎的基于X射線脈沖星的自主天文導(dǎo)航方法，該方法導(dǎo)航精度高，具有廣闊的應(yīng)用前景。在火星探測及其他行星際探測的飛行過程中，經(jīng)常需要進行軌道修正，此時的定位導(dǎo)航就必須考慮含有推進力的軌道和姿態(tài)動力學(xué)模型，如何建立精確的推進力或推進加速度模型，實現(xiàn)深空探測器在軌道機動和變軌時的精確導(dǎo)航是未來必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。探測器在經(jīng)過轉(zhuǎn)移軌道的漫長旅行后，最終會到達某個目標天體，探測天體的組成、特點和起源等，要獲得豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)和天體巖石、土壤樣本等就需要用到行星探測漫游車，因此下一章將系統(tǒng)地研究行星探測漫游車的自主天文導(dǎo)航方法。

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