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(jià)值和戰(zhàn)略研究意義，一方面可以減輕地面測(cè)控系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，減少測(cè)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(zhǎng)期運(yùn)行維持費(fèi)用；另一方面，可以減少航天器對(duì)地面測(cè)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(guó)推動(dòng)航天技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力和目標(biāo)?！　∽?0世紀(jì)60年代以來(lái)，美國(guó)、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(cè)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(jì)等。然而，大多數(shù)研究成果僅是停留在實(shí)驗(yàn)室研究和試驗(yàn)驗(yàn)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(wú)線電定軌及定位系統(tǒng)（DORIS）與精密距離及其變化率測(cè)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(lái)，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(shuō)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(shí)時(shí)操作性、不發(fā)信號(hào)、不依賴于地面站以及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行等基本特征來(lái)看，目前航天器尚未實(shí)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(cè)量系統(tǒng)來(lái)完成導(dǎo)航任務(wù)。這充分說(shuō)明了航天器自主導(dǎo)航技術(shù)的復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)難度。　　X射線脈沖星能夠?yàn)榻剀壍?、深空探測(cè)和星際飛行的各類航天器，以及無(wú)稠密大氣行星表面巡游器提供位置、速度、時(shí)間和姿態(tài)等高精度導(dǎo)航參數(shù)信息，從而實(shí)現(xiàn)航天器自主運(yùn)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(jià)值，日益成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)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(yàn)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(duì)論基礎(chǔ)；脈沖星物理特征及觀測(cè)研究；X射線脈沖導(dǎo)航時(shí)空基準(zhǔn)的建立與維持；航天器軌道與姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型及太陽(yáng)系行星星歷計(jì)算；x射線脈沖星導(dǎo)航的基本觀測(cè)量及測(cè)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(yàn)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(jì)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(jì)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(guó)外X射線脈沖星導(dǎo)航計(jì)劃
1.3.4 國(guó)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(kù)技術(shù)
1.4.2 導(dǎo)航時(shí)空基準(zhǔn)的建立與維持技術(shù)
1.4.3 脈沖到達(dá)時(shí)間轉(zhuǎn)換技術(shù)
1.4.4 X射線脈沖星探測(cè)器技術(shù)
1.4.5 星載時(shí)鐘的時(shí)間保持技術(shù)
1.4.6 自主導(dǎo)航算法與容錯(cuò)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(cè)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(duì)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(yùn)算
2.1.3 場(chǎng)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(yùn)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(chǎng)論
2.2.5 撓率張量和曲率張量
2.2.6 仿射空間的測(cè)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(cè)地線微分方程
2.3.3 愛(ài)因斯坦張量
2.3.4 等度規(guī)映射
2.4 狹義相對(duì)論與廣義相對(duì)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(duì)論與洛倫茲變換
2.4.3 廣義相對(duì)論的基本原理
2.4.4 引力與時(shí)空彎曲
2.5 愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)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(wèn)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(duì)論框架下的時(shí)空測(cè)量理論
2.6.1 廣義相對(duì)論的基本觀測(cè)量
2.6.2 四軸正交坐標(biāo)框架
2.6.3 時(shí)間和空間間隔測(cè)量
2.6.4 時(shí)空測(cè)量概念的物理解釋
2.7 球?qū)ΨQ引力場(chǎng)的廣義相對(duì)論效應(yīng)
2.7.1 自由粒子在引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程
2.7.2 水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)
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(shí)鐘的環(huán)球飛行試驗(yàn)
2.8 引力場(chǎng)的后牛頓近似關(guān)系
2.8.1 愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的后牛頓近似解
2.8.2 穩(wěn)態(tài)引力場(chǎng)的光子后牛頓運(yùn)動(dòng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量、角位置及運(yùn)動(dòng)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(guò)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(yùn)動(dòng)
3.4.5 脈沖星的物理特征和形成過(guò)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(cè)
3.5.1 射電天文觀測(cè)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(cè)研究
3.6 X射線脈沖星觀測(cè)研究
3.6.1 天體X射線探測(cè)技術(shù)的發(fā)展概況
3.6.2 X射線脈沖星探測(cè)與可觀測(cè)性分析
3.7 X射線探測(cè)器技術(shù)
3.7.1 X射線探測(cè)器的基本原理
3.7.2 充氣正比計(jì)數(shù)器
3.7.3 微通道板探測(cè)器
3.7.4 硅半導(dǎo)體探測(cè)器
3.7.5 CCD半導(dǎo)體探測(cè)器
3.7.6 閃爍探測(cè)器
3.7.7 熱敏探測(cè)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(kù)
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(kù)設(shè)計(jì)方案
參考文獻(xiàn)
第4章 X射線脈沖星導(dǎo)航的時(shí)空基準(zhǔn)
4.1 導(dǎo)航時(shí)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(shí)空基準(zhǔn)
4.1.2 廣義相對(duì)論框架下的時(shí)空基準(zhǔn)
4.1.3 時(shí)空基準(zhǔn)的建立與維持關(guān)系
4.2 天球參考系及其實(shí)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(guó)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(shí)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(guó)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(diǎn)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(diǎn)
4.4.4 基于非旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
4.5 時(shí)間系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)框架
4.5.1 有關(guān)時(shí)間的基本概念
4.5.2 常用的時(shí)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(dòng)力學(xué)方法
第6章 X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)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(yàn)
附錄A IAU2000歲差章動(dòng)模型
附錄B 交角章動(dòng)和黃經(jīng)章動(dòng)計(jì)算
附錄C 大地緯度的直接解算方法
附錄D Arecibo天文臺(tái)長(zhǎng)期觀測(cè)的毫秒脈沖量
附錄E 綜合勒讓德多項(xiàng)式地球引力加速度的遞推算法
附錄F 太陽(yáng)及太陽(yáng)系行星和月球的基本物理參數(shù)
附錄G 常用術(shù)語(yǔ)英漢對(duì)詞
附錄H 單位符號(hào)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(yùn)動(dòng)體按預(yù)定計(jì)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(guò)程。完整的導(dǎo)航過(guò)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(shí)了解運(yùn)動(dòng)體已經(jīng)到達(dá)的位置，以便掌握運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)行狀態(tài)，判明其有無(wú)偏離預(yù)定路徑，偏離程度如何，當(dāng)前處境有無(wú)危險(xiǎn)等，因而實(shí)時(shí)測(cè)定運(yùn)動(dòng)體位置是完成導(dǎo)航任務(wù)的一項(xiàng)重要課題，習(xí)慣上往往將測(cè)定運(yùn)動(dòng)體位置的方法和技術(shù)統(tǒng)稱為導(dǎo)航。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位置測(cè)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(cè)定或事后數(shù)據(jù)處理結(jié)果，不具有實(shí)時(shí)性，但對(duì)精度有很高要求，達(dá)到厘米甚至毫米量級(jí)。另外，制導(dǎo)和控制是兩個(gè)與導(dǎo)航密切相關(guān)的概念，所謂制導(dǎo)就是將運(yùn)動(dòng)體引導(dǎo)到規(guī)劃路徑的過(guò)程和方法；所謂控制就是修正運(yùn)動(dòng)體航跡偏差，使其回到規(guī)劃路徑的過(guò)程和方法。在實(shí)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(jì)的?！　∈聦?shí)上，圓滿完成一項(xiàng)預(yù)定的航行任務(wù)，除需要運(yùn)動(dòng)體位置信息外，通常還需要獲取運(yùn)動(dòng)體的速度、時(shí)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(cè)定運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)體航行的控制，是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。從某種意義上說(shuō)，導(dǎo)航系統(tǒng)就是一個(gè)信息處理系統(tǒng)，即將導(dǎo)航儀表設(shè)備所測(cè)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(duì)運(yùn)動(dòng)體的控制指令，輸出到系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)體航行，這就構(gòu)成一個(gè)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。

圖書封面

評(píng)論、評(píng)分、閱讀與下載

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