深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航方法

前言

隨著我國(guó)航天和國(guó)防技術(shù)的發(fā)展以及載人航天、月球探測(cè)和深空探測(cè)等重大專項(xiàng)的實(shí)施，自主導(dǎo)航技術(shù)日益成為影響深空探測(cè)器自主運(yùn)行和管理的技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)地面測(cè)控和衛(wèi)星導(dǎo)航必須依賴測(cè)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(zhǎng)時(shí)間自由飛行的深空探測(cè)器，且誤差隨時(shí)間積累。天文導(dǎo)航具有自主性強(qiáng)、精度高、誤差不隨時(shí)間積累、抗干擾能力強(qiáng)以及可提供位置和姿態(tài)信息等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)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(jì)90年代末開(kāi)始從事深空探測(cè)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(shū)即為該方向最新研究成果的總結(jié)與提煉，書(shū)中同時(shí)也參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。全書(shū)內(nèi)容共分9章。第1章——緒論，是深空探測(cè)器自主導(dǎo)航和天文導(dǎo)航的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜述。第2章——深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航的基本原理，簡(jiǎn)要介紹了天文導(dǎo)航的基本原理以及常用坐標(biāo)系、軌道和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)及濾波方法等基礎(chǔ)知識(shí)。第3章——近地停泊軌道上深空探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航方法，主要是針對(duì)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(cè)器自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)的性能分析，針對(duì)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(duì)系統(tǒng)導(dǎo)航性能的影響。第5章——月球探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航方法，主要針對(duì)月球探測(cè)器，論述了月球探測(cè)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(cè)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(cè)器的自主天文導(dǎo)航方法，包括深空探測(cè)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(jiǎn)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(cè)漫游車的自主天文導(dǎo)航方法，主要論述了行星探測(cè)漫游車在探測(cè)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(cè)器自主天文導(dǎo)航的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)和半物理仿真實(shí)驗(yàn)，介紹了深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)和半物理仿真實(shí)驗(yàn)。第9章——總結(jié)與展望，對(duì)深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。本書(shū)內(nèi)容涉及多門學(xué)科前沿，內(nèi)容新穎，由于筆者水平、時(shí)間有限，難免存在不妥和錯(cuò)誤之處，懇請(qǐng)廣大同行、讀者批評(píng)指正。最后感謝在本書(shū)的撰寫(xiě)、評(píng)審和出版過(guò)程中所有給予關(guān)心、支持和幫助的人們！

內(nèi)容概要

本書(shū)針對(duì)國(guó)防基礎(chǔ)科研單位和相關(guān)工程部門對(duì)深空探測(cè)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(xì)、深入地論述了深空探測(cè)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(cè)器自主天文導(dǎo)航的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論，近地停泊軌道上、轉(zhuǎn)移軌道上深空探測(cè)器和行星探測(cè)漫游車的自主天文導(dǎo)航方法，深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)和半物理仿真實(shí)驗(yàn)等。    本書(shū)既可作為相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)人員的參考書(shū)，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的教學(xué)參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

第1章  緒論　1.1  深空探測(cè)器的自主導(dǎo)航技術(shù)　　1.1.1  深空探測(cè)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(cè)器在轉(zhuǎn)移軌道上的自主導(dǎo)航技術(shù)    1.1.3  深空探測(cè)漫游車的自主導(dǎo)航技術(shù)  1.2  深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航方法    1.2.1  深空探測(cè)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(cè)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(cè)漫游車的自主天文導(dǎo)航方法  1.3  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第2章  深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航的基本原理  2.1  引言  2.2  深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航的原理簡(jiǎn)介    2.2.1  近地停泊軌道上深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航的原理簡(jiǎn)介    2.2.2  轉(zhuǎn)移軌道上深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航的原理簡(jiǎn)介    2.2.3  深空探測(cè)漫游車自主天文導(dǎo)航的原理簡(jiǎn)介  2.3  常用坐標(biāo)系    2.3.1  慣性坐標(biāo)系    2.3.2  軌道坐標(biāo)系    2.3.3  星體坐標(biāo)系    2.3.4  地理坐標(biāo)系  2.4  深空探測(cè)器的軌道運(yùn)動(dòng)    2.4.1  多體問(wèn)題和限制性三體問(wèn)題    2.4.2  地月飛行的軌道運(yùn)動(dòng)    2.4.3  行星際飛行的軌道運(yùn)動(dòng)    2.4.4  轉(zhuǎn)移軌道的類型  2.5  深空探測(cè)器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)    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(yùn)動(dòng)學(xué)方程    2.5.4  姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程  2.6  深空探測(cè)器自主導(dǎo)航的濾波方法    2.6.1  擴(kuò)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(xiàn)第3章  近地停泊軌道上深空探測(cè)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(cè)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(cè)器的軌道動(dòng)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(xiàn)第4章  近地停泊軌道上深空探測(cè)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(jì)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(gè)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(cè)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(cè)度分析方法    4.5.2  星敏感器安裝坐標(biāo)系的建立　……第5章　月球探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航方法第6章　火星及其他行星際探測(cè)器的自主天文導(dǎo)航方法第7章　行星探測(cè)漫游車的自主天文導(dǎo)航方法第8章　深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)和半物理仿真實(shí)驗(yàn)第9章　總結(jié)與展望參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：隨著深空探測(cè)任務(wù)的增多，深空探測(cè)器在轉(zhuǎn)移軌道上的自主導(dǎo)航已經(jīng)成為一項(xiàng)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，而自主天文導(dǎo)航則是適于轉(zhuǎn)移軌道深空探測(cè)器的一種有效的自主導(dǎo)航手段。由于不同的深空探測(cè)器其運(yùn)行軌道各不相同，所受引力作用也各不相同，因此對(duì)不同的深空探測(cè)器必須根據(jù)其具體情況建立與之相適應(yīng)的軌道動(dòng)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(cè)器的自主天文導(dǎo)航方案。首先針對(duì)行星際轉(zhuǎn)移軌道上的深空探測(cè)器與地月轉(zhuǎn)移軌道上的深空探測(cè)器相比，不僅掙脫了地球引力的束縛，航行時(shí)間更長(zhǎng)，并且在軌道運(yùn)行中所受太陽(yáng)及各行星引力的大小會(huì)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(wèn)題，提出了一種可自適應(yīng)調(diào)節(jié)模型參數(shù)的改進(jìn)的MMUPF方法，將該方法用于火星探測(cè)器自主天文導(dǎo)航中，顯著降低了計(jì)算量，并提高了導(dǎo)航精度。其次，由于探測(cè)較遠(yuǎn)星球的深空探測(cè)器在途中往往需要多次借力飛行，而其借力過(guò)程中軌道參數(shù)變化較大，難以建立精確的軌道動(dòng)力學(xué)模型，如果采用不精確的模型進(jìn)行濾波計(jì)算會(huì)引起濾波發(fā)散，帶來(lái)極大的估計(jì)誤差，針對(duì)該問(wèn)題，提出了一種將深空探測(cè)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(wèn)題，保證了探測(cè)器在借力飛行時(shí)也可實(shí)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(cè)及其他行星際探測(cè)的飛行過(guò)程中，經(jīng)常需要進(jìn)行軌道修正，此時(shí)的定位導(dǎo)航就必須考慮含有推進(jìn)力的軌道和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，如何建立精確的推進(jìn)力或推進(jìn)加速度模型，實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)器在軌道機(jī)動(dòng)和變軌時(shí)的精確導(dǎo)航是未來(lái)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。探測(cè)器在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)移軌道的漫長(zhǎng)旅行后，最終會(huì)到達(dá)某個(gè)目標(biāo)天體，探測(cè)天體的組成、特點(diǎn)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(cè)漫游車，因此下一章將系統(tǒng)地研究行星探測(cè)漫游車的自主天文導(dǎo)航方法。

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