X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)原理與方法

前言

　　航天器自主導(dǎo)航具有極其重要的工程應(yīng)用價值和戰(zhàn)略研究意義，一方面可以減輕地面測控系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，減少測控站的布設(shè)數(shù)量和地面站至航天器的信息注入次數(shù)，降低航天器（星座）系統(tǒng)的建設(shè)和長期運行維持費用；另一方面，可以減少航天器對地面測控系統(tǒng)的依賴，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾和自主生存能力。因此，航天器自主導(dǎo)航一直是世界各航天大國推動航天技術(shù)發(fā)展的動力和目標(biāo)?！　∽?0世紀(jì)60年代以來，美國、蘇聯(lián)先后研究了多種航天器自主導(dǎo)航系統(tǒng)方案和星載測量設(shè)備，包括掃描式地平儀、陸標(biāo)跟蹤器、星敏感器、空間六分儀、麥?zhǔn)献灾鲗?dǎo)航系統(tǒng)（MANS）和微波雷達(dá)高度計等。然而，大多數(shù)研究成果僅是停留在實驗室研究和試驗驗證階段，尚未大規(guī)模投入工程應(yīng)用。歐洲研制的多普勒無線電定軌及定位系統(tǒng)（DORIS）與精密距離及其變化率測量設(shè)備系統(tǒng)（PRARE）能夠高精度確定航天器軌道，但均需要與地面站進(jìn)行信息交換，不屬于航天器自主導(dǎo)航系統(tǒng)范疇。近十余年來，隨著GPS系統(tǒng)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，GPS已成為低軌航天器精密軌道確定的主要手段。但是，GPS星座本身需要地面控制站不斷注入信息維持，因此只能說是一種半自主的航天器導(dǎo)航方式。從自主導(dǎo)航應(yīng)具有的自主完備性、實時操作性、不發(fā)信號、不依賴于地面站以及長時間運行等基本特征來看，目前航天器尚未實現(xiàn)真正意義上的自主導(dǎo)航，絕大多數(shù)航天器仍然依賴地面跟蹤測量系統(tǒng)來完成導(dǎo)航任務(wù)。這充分說明了航天器自主導(dǎo)航技術(shù)的復(fù)雜性和實現(xiàn)難度?！　射線脈沖星能夠為近地軌道、深空探測和星際飛行的各類航天器，以及無稠密大氣行星表面巡游器提供位置、速度、時間和姿態(tài)等高精度導(dǎo)航參數(shù)信息，從而實現(xiàn)航天器自主運行與精密控制。X射線脈沖星導(dǎo)航具有潛在的工程應(yīng)用價值，日益成為國內(nèi)外研究的熱點領(lǐng)域。

內(nèi)容概要

　　《X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)原理與方法》系統(tǒng)深入地闡述了X射線脈沖星導(dǎo)航的基本概念和原理、基礎(chǔ)理論和方法、數(shù)學(xué)模型和算法.數(shù)值試驗和結(jié)果。全書共分為8章，主要內(nèi)容包括導(dǎo)航的基本概念；X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用前景；張量分析與廣義相對論基礎(chǔ)；脈沖星物理特征及觀測研究；X射線脈沖導(dǎo)航時空基準(zhǔn)的建立與維持；航天器軌道與姿態(tài)動力學(xué)模型及太陽系行星星歷計算；x射線脈沖星導(dǎo)航的基本觀測量及測量模型；航天器自主導(dǎo)航算法；以及導(dǎo)航衛(wèi)星自主導(dǎo)航數(shù)值試驗等。
　　《X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)原理與方法》適合于從事航天器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制，航天任務(wù)分析和系統(tǒng)總體設(shè)計等方面的工程技術(shù)人員閱讀，也可作為高等院校導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、飛行器設(shè)計等相關(guān)專業(yè)的研究生、教師的教材和教學(xué)參考書。

書籍目錄

第1章 緒論
1.1 導(dǎo)航的基本概念
1.2 導(dǎo)航系統(tǒng)分類及發(fā)展概況
1.2.1 文導(dǎo)航系統(tǒng)
1.2.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
1.2.3 線電導(dǎo)航系統(tǒng)
1.2.4 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)
1.3 X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)
1.3.1 X射線脈沖星導(dǎo)航的基本內(nèi)涵
1.3.2 脈沖星導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展
1.3.3 國外X射線脈沖星導(dǎo)航計劃
1.3.4 國內(nèi)X射線脈沖星導(dǎo)航的研究基礎(chǔ)
1.4 X射線脈沖星導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)
1.4.1 X射線脈沖星導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫技術(shù)
1.4.2 導(dǎo)航時空基準(zhǔn)的建立與維持技術(shù)
1.4.3 脈沖到達(dá)時間轉(zhuǎn)換技術(shù)
1.4.4 X射線脈沖星探測器技術(shù)
1.4.5 星載時鐘的時間保持技術(shù)
1.4.6 自主導(dǎo)航算法與容錯處理技術(shù)
1.5 X射線脈沖星導(dǎo)航的應(yīng)用前景分析
1.5.1 導(dǎo)航衛(wèi)星自主導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域
1.5.2 深空探測與星際飛行任務(wù)領(lǐng)域
1.5.3 空間科學(xué)研究領(lǐng)域
參考文獻(xiàn)
第2章 張量分析與廣義相對論基礎(chǔ)
2.1 仿射空間的矢量表達(dá)
2.1.1 矢量空間、歐氏空間和仿射空間的內(nèi)涵
2.1.2 矢量的代數(shù)運算
2.1.3 場論基礎(chǔ)
2.1.4 斜角直線坐標(biāo)系與曲線坐標(biāo)系的基矢量
2.1.5 坐標(biāo)變換關(guān)系
2.2 仿射空間的張量分析
2.2.1 張量的基本概念和運算
2.2.2 度規(guī)張量
2.2.3 張量的仿射聯(lián)絡(luò)與協(xié)變導(dǎo)數(shù)
2.2.4 張量場論
2.2.5 撓率張量和曲率張量
2.2.6 仿射空間的測地線微分方程
2.3 黎曼空間的張量分析
2.3.1 黎曼空間的基本概念
2.3.2 黎曼空間的聯(lián)絡(luò)和測地線微分方程
2.3.3 愛因斯坦張量
2.3.4 等度規(guī)映射
2.4 狹義相對論與廣義相對論的基本概念
2.4.1 牛頓引力理論的缺陷
2.4.2 狹義相對論與洛倫茲變換
2.4.3 廣義相對論的基本原理
2.4.4 引力與時空彎曲
2.5 愛因斯坦引力場方程的求解
2.5.1 調(diào)和坐標(biāo)條件
2.5.2 球?qū)ΨQ度規(guī)的一般形式
2.5.3 史瓦西爾度規(guī)及其奇異性問題
2.5.4 荷電球外部的度規(guī)
2.5.5 符合宇宙學(xué)原理的度規(guī)
2.6 廣義相對論框架下的時空測量理論
2.6.1 廣義相對論的基本觀測量
2.6.2 四軸正交坐標(biāo)框架
2.6.3 時間和空間間隔測量
2.6.4 時空測量概念的物理解釋
2.7 球?qū)ΨQ引力場的廣義相對論效應(yīng)
2.7.1 自由粒子在引力場中的運動方程
2.7.2 水星軌道近日點的進(jìn)動
2.7.3 光線的引力偏折
2.7.4 雷達(dá)回波的延緩
2.7.5 光子的引力頻移
2.7.6 原子時鐘的環(huán)球飛行試驗
2.8 引力場的后牛頓近似關(guān)系
2.8.1 愛因斯坦引力場方程的后牛頓近似解
2.8.2 穩(wěn)態(tài)引力場的光子后牛頓運動方程
2.8.3 多參考系的后牛頓近似方法——DSx體系
參考文獻(xiàn)
第3章 脈沖星觀測及基本物理特征
3.1 現(xiàn)代宇宙學(xué)
3.1.1 宇宙概述
3.1.2 宇宙學(xué)的基本原理
3.1.3 現(xiàn)代宇宙學(xué)的觀測基礎(chǔ)
3.1.4 宇宙的理論模型
3.2 恒星的形成和演化
3.2.1 恒星的形成和觀測特性
3.2.2 恒星的演化進(jìn)程和歸宿
3.2.3 恒星的距離測量、角位置及運動特征
3.3 變星和致密星
3.3.1 變星的分類及物理特性
3.3.2 超新星爆發(fā)
3.3.3 致密星的形成過程
3.3.4 白矮星
3.3.5 中子星和脈沖星
3.3.6 黑洞
3.4 脈沖星的物理機(jī)制和特征
3.4.1 脈沖星的發(fā)現(xiàn)
3.4.2 脈沖星的命名、分類和分布
3.4.3 脈沖星的脈沖輪廓和周期
3.4.4 脈沖星的距離和運動
3.4.5 脈沖星的物理特征和形成過程
3.4.6 脈沖星的輻射機(jī)制和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
3.5 射電天文與射電脈沖星觀測
3.5.1 射電天文觀測技術(shù)的發(fā)展歷程
3.5.2 射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)
3.5.3 射電脈沖星的觀測研究
3.6 X射線脈沖星觀測研究
3.6.1 天體X射線探測技術(shù)的發(fā)展概況
3.6.2 X射線脈沖星探測與可觀測性分析
3.7 X射線探測器技術(shù)
3.7.1 X射線探測器的基本原理
3.7.2 充氣正比計數(shù)器
3.7.3 微通道板探測器
3.7.4 硅半導(dǎo)體探測器
3.7.5 CCD半導(dǎo)體探測器
3.7.6 閃爍探測器
3.7.7 熱敏探測器
3.7.8 X射線定位與成像技術(shù)
3.8 X射線脈沖星導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫
3.8.1 X射線脈沖星的優(yōu)選方法
3.8.2 X射線脈沖星編目
3.8.3 導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案
參考文獻(xiàn)
第4章 X射線脈沖星導(dǎo)航的時空基準(zhǔn)
4.1 導(dǎo)航時空基準(zhǔn)的基本概念
4.1.1 經(jīng)典牛頓力學(xué)框架下的時空基準(zhǔn)
4.1.2 廣義相對論框架下的時空基準(zhǔn)
4.1.3 時空基準(zhǔn)的建立與維持關(guān)系
4.2 天球參考系及其實現(xiàn)框架
4.2.1 理想的天球參考系
4.2.2 協(xié)議天球參考系
4.2.3 國際天球參考系及參考框架
4.2.4 天文常數(shù)的定義
4.2.5 天球參考系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系
4.3 地球參考系及其實現(xiàn)框架
4.3.1 協(xié)議地球參考系及轉(zhuǎn)換模型
4.3.2 協(xié)議地球參考框架的建立與維持
4.3.3 國際地球參考系及參考框架
4.3.4 常用的地球坐標(biāo)系和航天器導(dǎo)航坐標(biāo)系
4.4 天球參考系與地球參考系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系
4.4.1 基于春分點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
4.4.2 天球參考極的基本理論
4.4.3 天球和地球中介原點
4.4.4 基于非旋轉(zhuǎn)原點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
4.5 時間系統(tǒng)及其實現(xiàn)框架
4.5.1 有關(guān)時間的基本概念
4.5.2 常用的時間系統(tǒng)定義及基本關(guān)系
……
第5章 航天器軌道與資態(tài)動力學(xué)方法
第6章 X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)測量理論
第7章 航天器自主導(dǎo)航算法
第8章 導(dǎo)航衛(wèi)星自主導(dǎo)航的數(shù)值試驗
附錄A IAU2000歲差章動模型
附錄B 交角章動和黃經(jīng)章動計算
附錄C 大地緯度的直接解算方法
附錄D Arecibo天文臺長期觀測的毫秒脈沖量
附錄E 綜合勒讓德多項式地球引力加速度的遞推算法
附錄F 太陽及太陽系行星和月球的基本物理參數(shù)
附錄G 常用術(shù)語英漢對詞
附錄H 單位符號及換算關(guān)系

章節(jié)摘錄

　　導(dǎo)航是引導(dǎo)航行的意思，即將運動體按預(yù)定計劃和要求從起始位置安全經(jīng)濟(jì)地引導(dǎo)到目的地的過程。完整的導(dǎo)航過程包括路徑規(guī)劃、當(dāng)前位置、航跡偏差和偏差修正等。由于引航人員需要隨時了解運動體已經(jīng)到達(dá)的位置，以便掌握運動體的運行狀態(tài)，判明其有無偏離預(yù)定路徑，偏離程度如何，當(dāng)前處境有無危險等，因而實時測定運動體位置是完成導(dǎo)航任務(wù)的一項重要課題，習(xí)慣上往往將測定運動體位置的方法和技術(shù)統(tǒng)稱為導(dǎo)航。實時動態(tài)位置測定是導(dǎo)航的基本要求，而精密定位則是導(dǎo)航的一種特例。精密定位一般為靜態(tài)位置測定或事后數(shù)據(jù)處理結(jié)果，不具有實時性，但對精度有很高要求，達(dá)到厘米甚至毫米量級。另外，制導(dǎo)和控制是兩個與導(dǎo)航密切相關(guān)的概念，所謂制導(dǎo)就是將運動體引導(dǎo)到規(guī)劃路徑的過程和方法；所謂控制就是修正運動體航跡偏差，使其回到規(guī)劃路徑的過程和方法。在實際工程應(yīng)用中，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)往往是一體化設(shè)計的?！　∈聦嵣?，圓滿完成一項預(yù)定的航行任務(wù)，除需要運動體位置信息外，通常還需要獲取運動體的速度、時間、航向和姿態(tài)等信息，這些信息被統(tǒng)稱為導(dǎo)航參數(shù)。一般地，我們把測定運動體導(dǎo)航參數(shù)，并引導(dǎo)其按預(yù)定路徑航行的完整設(shè)備或設(shè)施，稱為導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)只提供各種導(dǎo)航參數(shù)，而不直接參與對運動體航行的控制，是一個開環(huán)系統(tǒng)。從某種意義上說，導(dǎo)航系統(tǒng)就是一個信息處理系統(tǒng)，即將導(dǎo)航儀表設(shè)備所測量的航行信息處理成引航員需要的各種導(dǎo)航參數(shù)。將導(dǎo)航系統(tǒng)提供的導(dǎo)航信息轉(zhuǎn)換成對運動體的控制指令，輸出到系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自動控制運動體航行，這就構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航已逐漸發(fā)展成為研究導(dǎo)航理論方法和技術(shù)裝置的專門學(xué)科，廣泛應(yīng)用于車輛、艦船、飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈以及各類航天器上。

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