基於光學成像測量的深空探測自主控制原理與技術（簡體書）

《基於光學成像測量的深空探測自主控制原理與技術》深入系統地介紹了基於光學成像測量的深空探測自主控制原理、方法、技術和應用問題，是作者近十年來在從事深空探測自主導航與控制技術研究的基礎上，結合該領域的最新進展，總結相關課題的研究成果而成，反映了本領域的研究前沿和技術發展趨勢，既可作為航天科研人員和工程技術人員的參考書，也可作為相關專業的研究生教材。．

《基于光學成像測量的深空探測自主控制原理與技術》既可作為航天科研人員和工程技術人員的參考書，也可作為相關專業研究生的教材。

第1章 緒論
1．1 制導、導航與控制
1．1．1 基本概念
1．1．2 自主控制技術
1．2 深空探測自主控制的典型任務
1．2．1 月球探測自主控制技術
1．2．2 行星探測自主控制技術
1．2．3 小行星及彗星探測自主控制技術
1．3 本書的主要內容
參考文獻

第2章 光學成像自主導航與控制基本原理
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
2．2．1 時間系統的定義
2．2．2 儒略日的定義及轉換
2．3 導航天體星曆
2．3．1 高精度天體星曆計算
2．3．2 簡單天體星曆計算
2．4 航天器軌道動力學模型
2．4．1 軌道攝動模型
2．4．2 軌道動力學方程
2．4．3 深空探測器軌道動力學模型
2．5 光學成像自主導航
2．5．1 基本原理
2．5．2 導航天體的選取與規劃
2．5．3 導航天體圖像的處理方法
2．5．4 觀測方程和狀態方程的建立
2．5．5 導航濾波算法的選擇
2．6 自主軌道控制方法
2．6．1 基於B平面參數的自主中途修正方法
2．6．2 接近目標天體的自主軌道規劃方法
2．7 小結
參考文獻

第3章 導航天體選取與規劃方法
3．1 導航天體類型及其特點
3．1．1 行星軌道與光學特性
3．1．2 行星衛星軌道與光學特性
3．1．3 小行星軌道與光學特性
3．2 導航天體選取標準
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 導航天體最優組合選取方法
3．3．1 精度衰減因子
3．3．2 基於PDOP的導航天體最優組合選取方法
3．4 導航天體觀測序列規劃方法
3．4．1 導航天體觀測序列優化標準
3．4．2 基於遺傳算法的導航天體觀測序列規劃方法
3．4．3 基於蟻群優化算法的導航天體觀測序列規劃
方法
3．5 小結
參考文獻

第4章 導航天體光學圖像處理方法
4．1 光學測量原理
4．1．1 光學成像模型
4．1．2 平移及旋轉變換
4．2 星點和星跡圖像處理
4．2．1 星點光學成像特點
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 規則天體圖像處理
4．3．1 規則天體光學成像特點
4．3．2 規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 不規則天體圖像處理
4．4．1 不規則天體光學成像特點
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
參考文獻

第5章 自主導航系統可觀性分析方法
5．1 線性系統的可觀性
5．1．1 線性定常系統的可觀性
5．1．2 線性時變系統的可觀性
5．2 非線性系統的可觀性
5．2．1 非線性系統可觀性定義及判據
5．2．2 基於奇異值分解的可觀性分析
5．3 自主導航系統的可觀度
5．3．1 自主導航系統可觀度分析
5．3．2 狀態可觀度分析
5．4 小結
參考文獻

第6章 自主導航濾波與信息融合方法
6．1 基於確定性模型的濾波算法
6．1．1 最小二乘算法
6．1．2 卡爾曼濾波算法
6．1．3 擴展卡爾曼濾波算法
6．2 基於不確定模型的濾波方法
6．2．1 魯棒濾波問題描述
6．2．2 魯棒濾波算法設計
6．2．3 改進的魯棒濾波性能分析
6．2．4 基於無模型加速度估計的自適應導航濾波算法
6．3 基於信息融合的深空探測自主導航
6．3．1 多源測量信息融合基本概念
6．3．2 基於光學成像測量和X射線脈衝星的自主導航
6．3．3 多源信息融合的組合導航性能分析
6．4 小結
參考文獻

第7章 日心轉移軌道段的自主導航與制導
7．1 日心轉移軌道段自主導航與制導方案
7．1．1 系統組成與功能
7．1．2 導航敏感器
7．1．3 執行機構
7．2 日心轉移軌道段自主導航技術
7．2．1 導航圖像處理
7．2．2 導航觀測方程
7．2．3 導航狀態方程
7．2．4 導航參數的濾波估計
7．3 日心轉移軌道段自主制導技術
7．3．1 採用速度脈衝控制的中途軌道修正方法
7．3．2 採用小推力連續控制的中途軌道修正方法
7．4 應用實例
7．5 小結
參考文獻

第8章 接近軌道段的自主導航與軌道
控制
8．1 接近軌道段自主導航與軌道控制方案
8．1．1 系統組成與功能
8．1．2 導航敏感器
8．1．3 執行機構
8．2 接近軌道段自主導航技術
8．2．1 接近大天體
8．2．2 接近小天體
8．3 接近軌道段自主軌道控制技術
8．3．1 基於B平面的制導方法
8．3．2 自主軌道規劃
8．4 應用實例
8．4．1 接近大天體過程的自主導航與軌道控制
8．4．2 接近小天體過程的自主導航與軌道控制
8．5 小結
參考文獻

第9章 環繞軌道段的自主導航與軌道控制
9．1 環繞軌道段自主導航與軌道控制方案
9．1．1 系統組成與功能
9．1．2 導航敏感器
9．1．3 執行機構
9．2 環繞軌道段自主導航技術
9．2．1 環繞大天體自主導航
9．2．2 環繞小天體自主導航
9．3 環繞軌道段自主軌道控制技術
9．3．1 環繞軌道段軌道控制數學模型
9．3．2 半長軸和偏心率聯合控制
9．3．3 軌道傾角控制
9．3．4 近天體點高度控制
9．4 應用實例
9．4．1 環繞火星探測任務的應用
9．4．2 環繞愛神小行星探測任務的應用
9．5 小結
參考文獻

第10章 撞擊軌道段的自主導航與制導
10．1 撞擊軌道段自主導航與制導方案
10．1．1 系統組成與功能
10．1．2 導航敏感器
10．1．3 執行機構
10．2 撞擊軌道段自主導航技術
10．2．1 自主導航圖像處理
10．2．2 自主軌道確定
10．3 軌道機動
10．3．1 比例導引
10．3．2 預測制導
10．4 觀測序列規劃
10．4．1 撞擊時間的計算
10．4．2 拍照終止時間計算
10．4 3序列規劃
10．5 應用實例
10．6 小結
參考文獻

第11章 基於光學成像測量的自主導航地面試驗
11．1 基於光學成像測量的數學仿真驗證技術
11．1．1 靜態星點成像仿真
11．1．2 動態星跡成像仿真
11．1．3 面目標成像仿真
11．1．4 仿真實例
11．2 轉移軌道段自主導航半物理仿真試驗
11．2．1 試驗方案
11．2．2 試驗系統組成
11．2．3 試驗系統數據接口與信息流程
11．2．4 試驗實例
11．2．5 外場觀星試驗
11．3 環繞軌道段自主導航半物理仿真試驗
11．3．1 試驗方案
11．3．2 試驗系統組成
11．3．3 試驗實例
11．4 小結
參考文獻

第12章 深空探測自主控制發展展望
參考文獻
全書縮略語和專有名詞對照表．

6.3 基于信息融合的深空探測自主導航
隨著空間科學技術的發展，深空探測器對自主導航精度和可靠性的要求越來越高。僅靠單一導航敏感器進一步提高自主導航系統精度和可靠性的難度較大。在應用光學成像測量實施自主導航的基礎上，融合其他測量設備提供的信息，構建基于多源信息融合的深空探測器組合導航系統，不僅能夠增加自主導航測量信息，還有助于增強自主導航系統的容錯能力。
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而進行的信息處理過程。按照這一定義，多源測量信息系統是信息融合的硬件基礎，多源測量信息是信息融合的加工對象，協調優化和綜合處理是信息融合的核心。隨著空間科學技術的發展，可供深空探測器利用的導航信息源越來越多，這為多源測量信息融合的應用提供了技術保障。
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常用于建立組合導航系統。通過多源測量信息融合，可以得到單個導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航系統運用多個敏感器的非相似導航信息進行導航解算，可利用測量信息增多，對提高自主導航系統的精度十分有利。此外，利用多信息融合技術還可以實現自主導航敏感器系統偏差的自校準，從而減弱模型不確定性對自主導航精度的影響。如將光學成像測量與全球定位系統信息組合，可以實現光學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航系統綜合利用了各種導航敏感器的信息，各個導航子系統能夠取長補短，擴大整個自主導航系統在空間和時間上的適用范圍。如將加速度計與光學成像測量組合，可以提高深空探測器軌道機動期間的軌道外推精度；將光學成像測量與X射線脈沖星導航系統組合，有助于縮短X射線脈沖星導航系統輸出導航信息的時間間隔。
（3）可靠性
從多個導航敏感器中提取出來的導航信息存在一定冗余，當某些導航敏感器發生故障時，多敏感器實現的冗余測量可以提高整個系統的可靠性。基于多源測量信息融合的組合導航系統，其發展方向是具有故障診斷和系統重構功能的容錯組合導航系統。
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，在應用光學成像測量實現自主導航的基礎上，融合其他輔助測量設備提供的信息進行組合導航，有助于提升深空探測器自主導航系統的性能。