深空探测天文导航原理与方法 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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• 深空探测
• 天文导航
• 航天工程
• 惯性导航
• 星敏感器
• 轨道确定
• 姿态控制
• 空间科学
• 导航技术
• 天体力学

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030529978

版次：01

商品编码：12215775

包装：精装

开本：16开

字数：409000

内容简介

《深空探测天文导航原理与方法》系统阐述了深空探测天文自主导航的原理、方法、实现途径以及地面实验系统。《深空探测天文导航原理与方法》共6章：第1章介绍深空探测天文导航的基本概念；第2章介绍天文导航的基础知识和基本原理；第3章分别针对深空测角、测距、测速三类自主导航方法进行系统论述；第4章介绍组合自主导航，给出不同的天文组合自主导航方法，对导航系统的可观测性、组合导航信息融合、误差传播机理、导航滤波算法及误差处理等进行论述；第5章介绍深空天文自主导航的实现技术；第6章介绍并分析天文导航系统数学仿真、天文导航目标源模拟方法、地面半物理实验系统等。

目录

目录
序言
前言
第1章 绪论 1
1.1 深空定义 1
1.2 导航定义 1
1.3 深空间环境特点 5
第2章 深空探测天文导航原理 12
2.1 引言 12
2.2 时间系统 12
2.2.1 时间基准 12
2.2.2 时间基准转换 16
2.3 空间系统 17
2.3.1 空间基准 18
2.3.2 空间基准转换 21
2.4 天体星历 24
2.4.1 恒星星表 24
2.4.2 行星星历 25
2.4.3 小行星星历 26
2.4.4 脉冲星星历 27
2.5 轨道动力学建模 28
2.5.1 行星引力影响范围 28
2.5.2 飞行阶段定义 31
2.5.3 近地段动力学模型 32
2.5.4 巡航段动力学模型 33
2.5.5 捕获段动力学模型 34
2.5.6 环绕段轨道动力学 36
2.5.7 EDL过程动力学模型 36
2.5.8 平动点轨道动力学模型 46
2.5.9 不规则小天体附近轨道动力学 50
2.5.10 大气气动捕获轨道动力学模型 57
2.5.11 大气气动减速轨道动力学模型 58
2.6 天文导航原理 60
2.6.1 天文测角导航原理 60
2.6.2 天文测距导航原理 63
2.6.3 天文测速导航原理 65
2.6.4 天文组合导航原理 68
2.7 天文导航相对论效应 70
第3章 深空探测天文自主导航的基本方法 72
3.1 引言 72
3.2 天文测角导航方法 73
3.2.1 测角导航流程 73
3.2.2 导航天体特性与选取 74
3.2.3 导航图像感知与检测 80
3.2.4 测角导航数学模型 89
3.3 天文测距导航方法 91
3.3.1 测距导航流程 91
3.3.2 脉冲星特性及选取 91
3.3.3 导航脉冲信号处理 93
3.3.4 测距导航数学模型 95
3.4 天文测速导航方法 96
3.4.1 测速导航流程 96
3.4.2 导航光谱特征与选取 96
3.4.3 导航光谱精细认证 103
3.4.4 测速导航数学模型 104
3.5 导航系统可观性分析 105
3.5.1 可观测性 106
3.5.2 可观测阶数 108
3.5.3 可观测度 109
3.6 导航完备性 112
3.6.1 GNSS完备性 112
3.6.2 天文导航完备性 112
3.6.3 测速观测量对完备性的影响 113
3.6.4 导航完备性与可观测性的联系与区别 114
3.7 导航系统滤波估计方法 116
3.7.1 最小二乘估计 116
3.7.2 最小方差估计 117
3.7.3 卡尔曼滤波 118
3.7.4 自适应滤波 125
3.7.5 粒子滤波 127
3.7.6 智能滤波 128
3.8 导航系统误差分析 129
3.8.1 导航模型误差 130
3.8.2 导航源端误差 132
3.8.3 仪器误差 137
3.8.4 数据处理误差 141
第4章 深空探测天文组合自主导航方法 145
4.1 引言 145
4.2 测角测速组合导航 145
4.2.1 总体方案 145
4.2.2 数学模型 146
4.3 测角测距组合导航 149
4.3.1 总体方案 149
4.3.2 数学模型 150
4.4 测速测距组合导航 153
4.4.1 总体方案 153
4.4.2 数学模型 153
4.5 测角测距测速组合导航 154
4.5.1 总体方案 154
4.5.2 数学模型 154
4.6 组合导航可观性分析 155
4.7 组合导航信息融合方法 158
4.7.1 组合导航信息融合特点 159
4.7.2 组合导航信息融合系统结构 160
4.7.3 基于联邦滤波的信息融合方法 161
4.8 组合导航数据相关性分析 166
4.8.1 子滤波器估计不相关时的信息融合 167
4.8.2 子滤波器估计相关时的信息融合 170
第5章 深空天文自主导航实现技术 175
5.1 引言 175
5.2 光学影像天文测角导航敏感器 176
5.2.1 基本原理 176
5.2.2 组成及功能 179
5.2.3 应用范围 181
5.3 X射线脉冲星天文测距导航敏感器 181
5.3.1 基本原理 181
5.3.2 组成及功能 183
5.3. 3应用范围 184
5.4 空间外差干涉测速导航敏感器 184
5.4.1 基本原理 184
5.4.2 组成及功能 190
5.4.3 理论精度分析 192
5.4.4 应用范围 195
5.5 色散定差干涉测速导航敏感器 196
5.5.1 基本原理 196
5.5.2 组成及功能 196
5.5.3 理论精度分析 198
5.5.4 应用范围 201
5.6 原子鉴频测速导航敏感器 201
5.6.1 基本原理 201
5.6.2 组成与功能 208
5.6.3 应用范围 208
5.7 深空天文自主导航计算机 208
5.7.1 基本原理 210
5.7.2 组成及功能 210
5.7.3 应用范围 211
第6章 数学仿真与半物理实验 212
6.1 引言 212
6.2 数学仿真 212
6.2.1 数学仿真模型 212
6.2.2 测角测速导航仿真 213
6.2.3 测角测距导航仿真 218
6.2.4 测速测距导航仿真 219
6.2.5 可观测度仿真 220
6.3 导航目标源模拟 222
6.3.1 测角目标源模拟 223
6.3.2 测距目标源模拟 235
6.3.3 测速目标源模拟 239
6.4 航天器轨道模拟 243
6.4.1 轨道动力学模拟 244
6.4.2 多自由度运动平台 244
6.5 航天器姿态模拟 245
6.5.1 姿态动力学模拟 245
6.5.2 姿态状态模拟 247
6.5.3 姿态误差模拟 248
6.6 深空环境模拟 249
6.6.1 超真空环境模拟 249
6.6.2 深冷环境模拟 250
6.6.3 空间外热流环境模拟 251
6.6.4 粒子辐照环境模拟 252
6.6.5 微重力模拟 253
6.7 地面半物理实验系统 254
6.7.1 系统功能 254
6.7.2 系统组成 254
6.7.3 系统方案 255
6.7.4 系统连接 256
6.7.5 实验流程 258
参考文献 259
附录
天文测速导航源恒星光谱 268
缩略语和专有名词 272
国际单位制基本单位 274
常用变量符号说明 275
用于构成十进倍数和分数单位的词头 278
彩图

精准制导与自主导航：现代航空航天系统的核心技术 内容简介 本书深入剖析了现代航空航天器（包括但不限于卫星、无人机、载人飞船等）实现高精度、自主化导航与控制所依赖的底层物理原理、先进算法以及工程实现细节。它系统地梳理了从经典导航理论到前沿人工智能赋能的导航范式演进脉络，旨在为航空航天工程师、系统设计师以及相关领域的研究人员提供一本全面、深入且具有实践指导意义的参考手册。 全书结构严谨，内容覆盖面广，共分为五个主要部分，共计十五章。 --- 第一部分：导航系统的基础理论与误差源分析 (Fundamentals of Navigation Systems and Error Analysis) 本部分奠定了整个导航理论体系的基石，重点讨论了导航系统设计中必须面对的数学模型和不确定性问题。 第一章：导航系统概述与坐标系变换 本章首先界定了现代导航系统的基本构成要素——传感器、数据处理器和制导律。随后，详细阐述了在不同任务需求下，导航中常用的数学描述工具，如欧拉角、四元数、旋转矩阵等。重点对比了惯性导航坐标系（如地理坐标系、平台坐标系、导航坐标系）之间的精确转换关系和其在实际应用中引入的奇异性问题。针对高动态环境，提出了基于非线性最小二乘法的实时坐标系对准方法。 第二章：传感器原理与性能评估 导航的精度直接取决于传感器的质量。本章深入探讨了各类核心导航传感器的工作机理及其误差模型。内容涵盖： 1. 惯性测量单元 (IMU)： 详细分析了加速度计和陀螺仪的随机误差（如白噪声、漂移率、比力随机游走）和系统误差（如刻度因子误差、对准误差）。介绍了如何利用Allan方差法对IMU的误差特性进行准确辨识。 2. 全球导航卫星系统 (GNSS) 接收机： 阐述了伪距、载波相位测量的物理基础，着重分析了对精度影响最大的误差源，包括对流层延迟、电离层延迟、多路径效应以及接收机噪声。 3. 辅助与替代传感器： 介绍了磁力计、气压计、激光雷达（LiDAR）和视觉传感器在特定场景下的作用和数据特性。 第三章：状态估计的经典方法 本章聚焦于如何从带有噪声的观测数据中提取最优状态估计。重点介绍了卡尔曼滤波（KF）的理论框架，包括其线性假设和递推过程。随后，针对导航系统中的普遍非线性问题，详细推导和比较了扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）的算法流程，并给出了在实时嵌入式系统中的实现要点，强调了协方差矩阵的维护与收敛性分析。 --- 第二部分：惯性导航系统 (Inertial Navigation Systems - INS) 惯性导航是自主导航的核心，本部分专注于不依赖外部信号的独立导航技术。 第四章：陀螺仪与加速度计的误差建模与补偿 深入研究了导航级和战术级惯性导航设备的设计原理。侧重于如何建立高保真度的传感器误差模型，特别是当系统处于大过载或非线性运动状态时，如何通过软件补偿策略（如温度补偿、激励器误差补偿）来提高导航精度。 第五章：机械式与光纤陀螺导航 对比分析了机械式陀螺、挠度波陀螺（RLG）和光纤陀螺（FOG）的优劣。详细阐述了RLG的锁相环原理和FOG的Sagnac效应应用，以及现代FOG系统如何通过反馈控制抑制漂移。 第六章：捷联式导航系统的对准与闭环控制 捷联式（Strapdown）系统是当前主流。本章详细讨论了初始对准过程，包括快速对准（Fast Alignment）和精细对准（Fine Alignment）的数学流程，如何利用初始位置、速度和姿态的先验信息，结合地面观测数据进行最优估计。并阐述了导航平台稳定控制回路的设计，确保惯性平台在高速运动中的稳定工作。 --- 第三部分：卫星导航系统与信号处理 (GNSS and Signal Processing) 本部分侧重于外部参考信息的获取、解算和增强。 第七章：GNSS信号接收与定位原理 系统阐述了GPS/北斗等系统的信号结构、测距原理（伪距、载波相位）。着重分析了卫星钟差、轨道误差、对流层和电离层延迟的精确建模方法。 第八章：差分与相对定位技术 为了克服单频/双频GNSS的系统误差，本章详细介绍了差分全球导航卫星系统（DGNSS）的技术。内容包括地面参考站的建立、改正数的生成、数据链传输以及用户端的实时修正算法。同时，引入了实时动态载波相位差分（RTK）的核心技术，包括模糊度固定（Integer Ambiguity Resolution）的数学方法，实现厘米级定位。 第九章：导航增强系统与抗干扰技术 本章探讨了如何提高GNSS的可用性和鲁棒性。内容涵盖了广域增强系统（WAAS/SBAS）的工作流程、精密单点定位（PPP）的技术原理。此外，针对日益严峻的信号欺骗（Spoofing）和干扰（Jamming）问题，系统介绍了信号质量监测、接收机抗干扰技术和频率捷变技术的基本原理。 --- 第四部分：现代融合导航理论与算法 (Modern Integrated Navigation Theory and Algorithms) 现代航空航天器必须依赖多传感器融合以达到高鲁棒性和高精度。 第十章：数据融合的基本架构与信息论基础 本章从信息论的角度阐述了传感器数据融合的必要性。分类讨论了融合架构：集中式融合、部分集中式融合和分布式融合。重点讨论了数据融合中的时间同步和空间配准问题。 第十一章：先进状态估计算法 超越传统的KF/EKF/UKF，本章深入研究了处理复杂非线性系统和高维状态空间的高级算法： 1. 粒子滤波 (PF)： 阐述了蒙特卡洛方法在非高斯、多模态状态估计中的应用，并分析了粒子退化问题及其改进策略。 2. 扩展信息滤波 (EIF) 与曲线拟合方法： 探讨了如何利用迭代优化方法提高非线性系统的估计精度。 第十二章：基于模型的导航滤波设计 强调了将系统动力学模型（如空气动力学模型、轨道动力学模型）融入到滤波过程中的重要性。介绍如何建立高保真度的系统噪声模型，以确保滤波器的最优性假设得以满足。 --- 第五部分：自主导航与应用 (Autonomous Navigation and Applications) 本部分关注导航系统在复杂、未知环境中的实际应用与前沿发展。 第十三章：基于视觉的导航（Vision-Based Navigation） 详细介绍了利用相机获取环境信息来实现自主导航的技术。内容涵盖： 1. 视觉里程计 (VO) 与 SLAM (Simultaneous Localization and Mapping)： 阐述了特征点提取、匹配、姿态估计（如PnP问题求解）的流程。重点区分了基于特征点的方法和基于流场的方法。 2. 深度学习在姿态估计中的应用： 探讨了卷积神经网络（CNN）在从图像直接回归姿态角以及场景识别中的初步应用。 第十四章：多模态传感器融合与自主决策 本章探讨如何将INS、GNSS、气压计、磁力计与视觉传感器的数据进行统一处理。重点介绍了互补滤波（Complementary Filter）和基于图优化的多传感器松耦合/紧耦合框架，如何实现传感器故障检测与隔离（FDI）。 第十五章：应用案例与未来趋势 通过具体的应用案例，如高超声速飞行器精准轨迹跟踪、低轨卫星星座编队飞行以及月球/火星着陆器的地形制导导航（TERCOM/TRN）技术，展示了前述理论的工程实现。最后，展望了量子导航技术、星敏感器与惯性导航的深度融合，以及导航系统在强电磁干扰环境下的生存能力研究方向。 --- 目标读者： 航空航天工程、电子信息工程、控制科学与工程专业的高年级本科生、研究生及相关领域的工程技术人员。 本书特色： 理论推导严谨，结合大量的工程实例和数据分析方法，强调算法的鲁棒性和实时性，是连接基础理论与复杂工程实践的桥梁。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是一扇通往宇宙深处的“精密之门”，让我这个普通读者看得目瞪口呆。我一直对人类探索宇宙的壮举感到震撼，尤其好奇那些遥远的探测器是如何在茫茫宇宙中找到自己的方向的。这本书确实解答了我一部分的疑惑，但它并没有止步于“我们是怎么知道的”，而是深入剖析了“我们是怎么精确地知道的”。书中对于“光度导航”的论述，详细解释了如何通过测量恒星的亮度变化来校准探测器的望远镜指向，避免跑偏。我看到它提到了“视星等”和“绝对星等”的概念，以及如何利用这些参数来估算探测器与恒星的距离。然而，在读到关于“自主导航”部分时，我开始感到一丝力不从心。书中关于“卡尔曼滤波”和“扩展卡尔曼滤波”的介绍，虽然作者努力用通俗的语言来解释，但我仍然无法完全掌握其核心逻辑。那种需要在不确定性中不断修正自身状态的感觉，虽然听起来很酷，但具体到数学公式和算法流程，就变得相当烧脑了。这本书显然是在挑战读者的数学和物理功底，它提供的是一种“精确到纳米级别”的导航解决方案，而不是我期望的“大概方位”的科普。

评分☆☆☆☆☆

这本书在我心中激起了一种“技术崇拜”的心理，它让我看到了人类智慧在征服宇宙过程中的极致体现。我一直觉得，能够把探测器送到火星、木星甚至更远的地方，本身就是一件不可思议的事情。这本书则把这个“不可思议”拆解成了一个个具体、严谨、甚至有些残酷的步骤。我看到书中对“轨道传递”的详细描述，解释了如何从一个已知的轨道点精确地计算出探测器在未来某个时刻会去向何方，这其中涉及到各种轨道力学方程和数值积分方法。我特别留意到书中关于“天体历表”的依赖性，以及如何利用这些精确的天体位置数据来修正导航误差。这让我联想到，其实我们生活在一个由数字和公式编织起来的宇宙中，而这本书正是揭示了这些“隐藏的代码”。但当我读到关于“脉冲星导航”的章节时，我彻底被它的前沿性和复杂性所折服。书中提到如何利用脉冲星发出的稳定脉冲信号进行定位，这已经超越了我对传统导航方式的理解范畴，其背后涉及到的高精度时间测量和信号处理技术，让我感到自己与宇宙的距离，不仅仅是空间的距离，更是认知的距离。

评分☆☆☆☆☆

不得不承认，《深空探测天文导航原理与方法》是一本极其“硬核”的书，它像是一部精心打磨的“宇宙GPS”操作手册。对于我这种只关心“我们什么时候能登陆月球”的普通读者来说，这本书提供的视角，是关于“我们如何确保探测器精确抵达并完成任务”的“幕后故事”。它详细阐述了“自主导航”和“地面测控导航”的优劣势，以及如何在任务的不同阶段进行选择和配合。我发现书中对“星光图像处理”和“目标识别”的描述非常专业，涉及到大量的图像算法和模式识别技术，这让我明白，探测器看到的“星星”和我们肉眼看到的，经过了多么复杂和精密的加工。我也注意到书中提到了“深空通信”的延迟问题，以及如何通过预先计算和自主决策来应对这种延迟。然而，当我看到关于“误差传递”和“不确定性分析”的部分时，我感觉自己仿佛置身于一个充满数学模型的“黑箱”。书中探讨的不仅仅是如何导航，更是如何量化和管理导航过程中的所有不确定性，这是一种令人敬畏的严谨。它没有提供任何关于“外星生命”或者“宇宙奥秘”的浪漫幻想，而是将一切回归到最本质的科学和工程问题上。

评分☆☆☆☆☆

阅读《深空探测天文导航原理与方法》的过程，就像是走进了一个极其精密的“宇宙测绘实验室”。我之前总以为探测器导航就是简单地“对准北极星”之类的，但这本书彻底刷新了我的认知。它详细介绍了如何利用不同类型恒星的独特光谱特征作为“宇宙指纹”，来识别并定位探测器。我特别感兴趣的是其中关于“三体问题”和“二体问题”在轨道计算中的应用，这让我意识到，即使是在看似空旷的宇宙，引力作用也是如此复杂和微妙。书中还提到了“光压效应”和“太阳风”对探测器轨迹的影响，以及如何将这些微小但持续的干扰因素纳入导航模型进行补偿。这让我觉得，探测器在深空中航行，就像是在进行一场与自然规律的精密博弈。然而，当书本进入到“星敏感器”和“惯性测量单元”的联合数据融合章节时，我发现自己已经跟不上作者的思路了。那些关于“误差协方差矩阵”和“状态向量更新”的讨论，对我来说简直是天书。它没有停留在“我们看到了什么”的层面，而是深入到了“我们怎么通过数据分析来确认我们看到的”以及“怎么在不断的数据流中保持稳定和精确”。

评分☆☆☆☆☆

刚翻完这本《深空探测天文导航原理与方法》，老实说，这本书的封面设计就透着一股硬核科技感，深邃的宇宙背景和精确的航线图，瞬间勾起了我对浩瀚星辰的好奇心。但读完之后，我发现它更像是一本为资深天文爱好者或者相关专业人士量身定做的“硬菜”。书中对于各种望远镜的光学原理、信号采集的细节、以及数据处理的复杂算法，都进行了非常详尽的阐述。我尤其对其中关于“星图匹配”的部分印象深刻，作者详细介绍了如何通过对比观测到的星光模式与预先建立的星图数据库来确定探测器的位置和姿态，这中间涉及到的三角测量、最小二乘法等数学工具，虽然我大部分都似懂非懂，但能感受到其严谨与精密。对于我这样只是对宇宙充满向往，而缺乏扎实天文和工程背景的读者来说，很多内容都像是在云里雾里。例如，书中对“深空网”的组成和工作流程的介绍，涉及到射电干涉、多普勒效应等专业概念，我只能大致理解其功能，但要深入探讨其背后的物理原理和工程实现，就有些吃力了。总体而言，它是一本非常有深度、非常有价值的书籍，但对于普通读者来说，可能需要极大的耐心和一些预备知识才能完全领会其精髓。