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第1章 绪论1

1.1制导、导航与控制2

1.1.1基本概念2

1.1.2自主控制技术4

1.2深空探测自主控制的典型任务6

1.2.1月球探测自主控制技术8

1.2.2行星探测自主控制技术15

1.2.3小行星及彗星探测自主控制技术21

1.3本书的主要内容32

参考文献36

第2章 光学成像自主导航与控制基本原理39

2.1参考坐标系及坐标变换39

2.1.1参考坐标系的定义40

2.1.2坐标系之间的变换43

2.2时间系统45

2.2.1时间系统的定义45

2.2.2儒略日的定义及转换47

2.3导航天体星历48

2.3.1高精度天体星历计算49

2.3.2简单天体星历计算51

2.4航天器轨道动力学模型53

2.4.1轨道摄动模型53

2.4.2轨道动力学方程58

2.4.3深空探测器轨道动力学模型60

2.5光学成像自主导航62

2.5.1基本原理62

2.5.2导航天体的选取与规划67

2.5.3导航天体图像的处理方法68

2.5.4观测方程和状态方程的建立68

2.5.5导航滤波算法的选择69

2.6自主轨道控制方法70

2.6.1基于B平面参数的自主中途修正方法71

2.6.2接近目标天体的自主轨道规划方法80

2.7小结91

参考文献92

第3章 导航天体选取与规划方法94

3.1导航天体类型及其特点94

3.1.1行星轨道与光学特性95

3.1.2行星卫星轨道与光学特性97

3.1.3小行星轨道与光学特性98

3.2导航天体选取标准101

3.2.1太阳相角标准102

3.2.2视星等标准103

3.2.3视运动标准105

3.2.4三星概率标准105

3.2.5深空探测器与天体距离标准108

3.3导航天体最优组合选取方法108

3.3.1精度衰减因子108

3.3.2基于PDOP的导航天体最优组合选取方法109

3.4导航天体观测序列规划方法113

3.4.1导航天体观测序列优化标准113

3.4.2基于遗传算法的导航天体观测序列规划方法114

3.4.3基于蚁群优化算法的导航天体观测序列规划方法117

3.5小结121

参考文献122

第4章 导航天体光学图像处理方法123

4.1光学测量原理123

4.1.1光学成像模型124

4.1.2平移及旋转变换128

4.2星点和星迹图像处理129

4.2.1星点光学成像特点129

4.2.2星点图像的处理方法130

4.2.3星迹图像的处理方法139

4.3规则天体图像处理154

4.3.1规则天体光学成像特点154

4.3.2规则面目标图像处理算法的基本原理155

4.3.3图像算法的处理过程158

4.3.4仿真实例162

4.4不规则天体图像处理163

4.4.1不规则天体光学成像特点163

4.4.2目标分割方法163

4.4.3中心提取方法165

4.4.4仿真实例167

4.5小结168

参考文献169

第5章 自主导航系统可观性分析方法171

5.1线性系统的可观性172

5.1.1线性定常系统的可观性172

5.1.2线性时变系统的可观性176

5.2非线性系统的可观性178

5.2.1非线性系统可观性定义及判据178

5.2.2基于奇异值分解的可观性分析183

5.3自主导航系统的可观度186

5.3.1自主导航系统可观度分析187

5.3.2状态可观度分析198

5.4小结203

参考文献204

第6章 自主导航滤波与信息融合方法206

6.1基于确定性模型的滤波算法207

6.1.1最小二乘算法207

6.1.2卡尔曼滤波算法210

6.1.3扩展卡尔曼滤波算法214

6.2基于不确定模型的滤波方法226

6.2.1鲁棒滤波问题描述226

6.2.2鲁棒滤波算法设计231

6.2.3改进的鲁棒滤波性能分析238

6.2.4基于无模型加速度估计的自适应导航滤波算法245

6.3基于信息融合的深空探测自主导航250

6.3.1多源测量信息融合基本概念250

6.3.2基于光学成像测量和X射线脉冲星的自主导航255

6.3.3多源信息融合的组合导航性能分析263

6.4小结266

参考文献268

第7章 日心转移轨道段的自主导航与制导271

7.1日心转移轨道段自主导航与制导方案271

7.1.1系统组成与功能271

7.1.2导航敏感器273

7.1.3执行机构274

7.2日心转移轨道段自主导航技术275

7.2.1导航图像处理275

7.2.2导航观测方程275

7.2.3导航状态方程278

7.2.4导航参数的滤波估计279

7.3日心转移轨道段自主制导技术284

7.3.1采用速度脉冲控制的中途轨道修正方法284

7.3.2采用小推力连续控制的中途轨道修正方法287

7.4应用实例289

7.5小结295

参考文献296

第8章 接近轨道段的自主导航与轨道控制298

8.1接近轨道段自主导航与轨道控制方案298

8.1.1系统组成与功能298

8.1.2导航敏感器300

8.1.3执行机构301

8.2接近轨道段自主导航技术301

8.2.1接近大天体302

8.2.2接近小天体308

8.3接近轨道段自主轨道控制技术316

8.3.1基于B平面的制导方法316

8.3.2自主轨道规划320

8.4应用实例322

8.4.1接近大天体过程的自主导航与轨道控制322

8.4.2接近小天体过程的自主导航与轨道控制324

8.5小结327

参考文献328

第9章 环绕轨道段的自主导航与轨道控制329

9.1环绕轨道段自主导航与轨道控制方案329

9.1.1系统组成与功能329

9.1.2导航敏感器331

9.1.3执行机构332

9.2环绕轨道段自主导航技术333

9.2.1环绕大天体自主导航333

9.2.2环绕小天体自主导航337

9.3环绕轨道段自主轨道控制技术345

9.3.1环绕轨道段轨道控制数学模型345

9.3.2半长轴和偏心率联合控制346

9.3.3轨道倾角控制348

9.3.4近天体点高度控制348

9.4应用实例349

9.4.1环绕火星探测任务的应用349

9.4.2环绕爱神小行星探测任务的应用353

9.5小结355

参考文献356

第10章 撞击轨道段的自主导航与制导358

10.1撞击轨道段自主导航与制导方案358

10.1.1系统组成与功能358

10.1.2导航敏感器360

10.1.3执行机构360

10.2撞击轨道段自主导航技术361

10.2.1自主导航图像处理361

10.2.2自主轨道确定363

10.3轨道机动363

10.3.1比例导引363

10.3.2预测制导364

10.4观测序列规划368

10.4.1撞击时间的计算368

10.4.2拍照终止时间计算370

10.4.3序列规划372

10.5应用实例373

10.6小结376

参考文献377

第11章 基于光学成像测量的自主导航地面试验378

11.1基于光学成像测量的数学仿真验证技术378

11.1.1静态星点成像仿真380

11.1.2动态星迹成像仿真381

11.1.3面目标成像仿真386

11.1.4仿真实例395

11.2转移轨道段自主导航半物理仿真试验400

11.2.1试验方案400

11.2.2试验系统组成401

11.2.3试验系统数据接口与信息流程405

11.2.4试验实例407

11.2.5外场观星试验410

11.3环绕轨道段自主导航半物理仿真试验411

11.3.1试验方案411

11.3.2试验系统组成413

11.3.3试验实例416

11.4小结419

参考文献421

第12章 深空探测自主控制发展展望422

参考文献427

全书缩略语和专有名词对照表428