深空探測天文導航原理與方法 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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圖書標籤:

• 深空探測
• 天文導航
• 航天工程
• 慣性導航
• 星敏感器
• 軌道確定
• 姿態控製
• 空間科學
• 導航技術
• 天體力學

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030529978

版次：01

商品編碼：12215775

包裝：精裝

開本：16開

字數：409000

內容簡介

《深空探測天文導航原理與方法》係統闡述瞭深空探測天文自主導航的原理、方法、實現途徑以及地麵實驗係統。《深空探測天文導航原理與方法》共6章：第1章介紹深空探測天文導航的基本概念；第2章介紹天文導航的基礎知識和基本原理；第3章分彆針對深空測角、測距、測速三類自主導航方法進行係統論述；第4章介紹組閤自主導航，給齣不同的天文組閤自主導航方法，對導航係統的可觀測性、組閤導航信息融閤、誤差傳播機理、導航濾波算法及誤差處理等進行論述；第5章介紹深空天文自主導航的實現技術；第6章介紹並分析天文導航係統數學仿真、天文導航目標源模擬方法、地麵半物理實驗係統等。

目錄

目錄
序言
前言
第1章 緒論 1
1.1 深空定義 1
1.2 導航定義 1
1.3 深空間環境特點 5
第2章 深空探測天文導航原理 12
2.1 引言 12
2.2 時間係統 12
2.2.1 時間基準 12
2.2.2 時間基準轉換 16
2.3 空間係統 17
2.3.1 空間基準 18
2.3.2 空間基準轉換 21
2.4 天體星曆 24
2.4.1 恒星星錶 24
2.4.2 行星星曆 25
2.4.3 小行星星曆 26
2.4.4 脈衝星星曆 27
2.5 軌道動力學建模 28
2.5.1 行星引力影響範圍 28
2.5.2 飛行階段定義 31
2.5.3 近地段動力學模型 32
2.5.4 巡航段動力學模型 33
2.5.5 捕獲段動力學模型 34
2.5.6 環繞段軌道動力學 36
2.5.7 EDL過程動力學模型 36
2.5.8 平動點軌道動力學模型 46
2.5.9 不規則小天體附近軌道動力學 50
2.5.10 大氣氣動捕獲軌道動力學模型 57
2.5.11 大氣氣動減速軌道動力學模型 58
2.6 天文導航原理 60
2.6.1 天文測角導航原理 60
2.6.2 天文測距導航原理 63
2.6.3 天文測速導航原理 65
2.6.4 天文組閤導航原理 68
2.7 天文導航相對論效應 70
第3章 深空探測天文自主導航的基本方法 72
3.1 引言 72
3.2 天文測角導航方法 73
3.2.1 測角導航流程 73
3.2.2 導航天體特性與選取 74
3.2.3 導航圖像感知與檢測 80
3.2.4 測角導航數學模型 89
3.3 天文測距導航方法 91
3.3.1 測距導航流程 91
3.3.2 脈衝星特性及選取 91
3.3.3 導航脈衝信號處理 93
3.3.4 測距導航數學模型 95
3.4 天文測速導航方法 96
3.4.1 測速導航流程 96
3.4.2 導航光譜特徵與選取 96
3.4.3 導航光譜精細認證 103
3.4.4 測速導航數學模型 104
3.5 導航係統可觀性分析 105
3.5.1 可觀測性 106
3.5.2 可觀測階數 108
3.5.3 可觀測度 109
3.6 導航完備性 112
3.6.1 GNSS完備性 112
3.6.2 天文導航完備性 112
3.6.3 測速觀測量對完備性的影響 113
3.6.4 導航完備性與可觀測性的聯係與區彆 114
3.7 導航係統濾波估計方法 116
3.7.1 最小二乘估計 116
3.7.2 最小方差估計 117
3.7.3 卡爾曼濾波 118
3.7.4 自適應濾波 125
3.7.5 粒子濾波 127
3.7.6 智能濾波 128
3.8 導航係統誤差分析 129
3.8.1 導航模型誤差 130
3.8.2 導航源端誤差 132
3.8.3 儀器誤差 137
3.8.4 數據處理誤差 141
第4章 深空探測天文組閤自主導航方法 145
4.1 引言 145
4.2 測角測速組閤導航 145
4.2.1 總體方案 145
4.2.2 數學模型 146
4.3 測角測距組閤導航 149
4.3.1 總體方案 149
4.3.2 數學模型 150
4.4 測速測距組閤導航 153
4.4.1 總體方案 153
4.4.2 數學模型 153
4.5 測角測距測速組閤導航 154
4.5.1 總體方案 154
4.5.2 數學模型 154
4.6 組閤導航可觀性分析 155
4.7 組閤導航信息融閤方法 158
4.7.1 組閤導航信息融閤特點 159
4.7.2 組閤導航信息融閤係統結構 160
4.7.3 基於聯邦濾波的信息融閤方法 161
4.8 組閤導航數據相關性分析 166
4.8.1 子濾波器估計不相關時的信息融閤 167
4.8.2 子濾波器估計相關時的信息融閤 170
第5章 深空天文自主導航實現技術 175
5.1 引言 175
5.2 光學影像天文測角導航敏感器 176
5.2.1 基本原理 176
5.2.2 組成及功能 179
5.2.3 應用範圍 181
5.3 X射綫脈衝星天文測距導航敏感器 181
5.3.1 基本原理 181
5.3.2 組成及功能 183
5.3. 3應用範圍 184
5.4 空間外差乾涉測速導航敏感器 184
5.4.1 基本原理 184
5.4.2 組成及功能 190
5.4.3 理論精度分析 192
5.4.4 應用範圍 195
5.5 色散定差乾涉測速導航敏感器 196
5.5.1 基本原理 196
5.5.2 組成及功能 196
5.5.3 理論精度分析 198
5.5.4 應用範圍 201
5.6 原子鑒頻測速導航敏感器 201
5.6.1 基本原理 201
5.6.2 組成與功能 208
5.6.3 應用範圍 208
5.7 深空天文自主導航計算機 208
5.7.1 基本原理 210
5.7.2 組成及功能 210
5.7.3 應用範圍 211
第6章 數學仿真與半物理實驗 212
6.1 引言 212
6.2 數學仿真 212
6.2.1 數學仿真模型 212
6.2.2 測角測速導航仿真 213
6.2.3 測角測距導航仿真 218
6.2.4 測速測距導航仿真 219
6.2.5 可觀測度仿真 220
6.3 導航目標源模擬 222
6.3.1 測角目標源模擬 223
6.3.2 測距目標源模擬 235
6.3.3 測速目標源模擬 239
6.4 航天器軌道模擬 243
6.4.1 軌道動力學模擬 244
6.4.2 多自由度運動平颱 244
6.5 航天器姿態模擬 245
6.5.1 姿態動力學模擬 245
6.5.2 姿態狀態模擬 247
6.5.3 姿態誤差模擬 248
6.6 深空環境模擬 249
6.6.1 超真空環境模擬 249
6.6.2 深冷環境模擬 250
6.6.3 空間外熱流環境模擬 251
6.6.4 粒子輻照環境模擬 252
6.6.5 微重力模擬 253
6.7 地麵半物理實驗係統 254
6.7.1 係統功能 254
6.7.2 係統組成 254
6.7.3 係統方案 255
6.7.4 係統連接 256
6.7.5 實驗流程 258
參考文獻 259
附錄
天文測速導航源恒星光譜 268
縮略語和專有名詞 272
國際單位製基本單位 274
常用變量符號說明 275
用於構成十進倍數和分數單位的詞頭 278
彩圖

精準製導與自主導航：現代航空航天係統的核心技術 內容簡介 本書深入剖析瞭現代航空航天器（包括但不限於衛星、無人機、載人飛船等）實現高精度、自主化導航與控製所依賴的底層物理原理、先進算法以及工程實現細節。它係統地梳理瞭從經典導航理論到前沿人工智能賦能的導航範式演進脈絡，旨在為航空航天工程師、係統設計師以及相關領域的研究人員提供一本全麵、深入且具有實踐指導意義的參考手冊。 全書結構嚴謹，內容覆蓋麵廣，共分為五個主要部分，共計十五章。 --- 第一部分：導航係統的基礎理論與誤差源分析 (Fundamentals of Navigation Systems and Error Analysis) 本部分奠定瞭整個導航理論體係的基石，重點討論瞭導航係統設計中必須麵對的數學模型和不確定性問題。 第一章：導航係統概述與坐標係變換 本章首先界定瞭現代導航係統的基本構成要素——傳感器、數據處理器和製導律。隨後，詳細闡述瞭在不同任務需求下，導航中常用的數學描述工具，如歐拉角、四元數、鏇轉矩陣等。重點對比瞭慣性導航坐標係（如地理坐標係、平颱坐標係、導航坐標係）之間的精確轉換關係和其在實際應用中引入的奇異性問題。針對高動態環境，提齣瞭基於非綫性最小二乘法的實時坐標係對準方法。 第二章：傳感器原理與性能評估 導航的精度直接取決於傳感器的質量。本章深入探討瞭各類核心導航傳感器的工作機理及其誤差模型。內容涵蓋： 1. 慣性測量單元 (IMU)： 詳細分析瞭加速度計和陀螺儀的隨機誤差（如白噪聲、漂移率、比力隨機遊走）和係統誤差（如刻度因子誤差、對準誤差）。介紹瞭如何利用Allan方差法對IMU的誤差特性進行準確辨識。 2. 全球導航衛星係統 (GNSS) 接收機： 闡述瞭僞距、載波相位測量的物理基礎，著重分析瞭對精度影響最大的誤差源，包括對流層延遲、電離層延遲、多路徑效應以及接收機噪聲。 3. 輔助與替代傳感器： 介紹瞭磁力計、氣壓計、激光雷達（LiDAR）和視覺傳感器在特定場景下的作用和數據特性。 第三章：狀態估計的經典方法 本章聚焦於如何從帶有噪聲的觀測數據中提取最優狀態估計。重點介紹瞭卡爾曼濾波（KF）的理論框架，包括其綫性假設和遞推過程。隨後，針對導航係統中的普遍非綫性問題，詳細推導和比較瞭擴展卡爾曼濾波（EKF）和無跡卡爾曼濾波（UKF）的算法流程，並給齣瞭在實時嵌入式係統中的實現要點，強調瞭協方差矩陣的維護與收斂性分析。 --- 第二部分：慣性導航係統 (Inertial Navigation Systems - INS) 慣性導航是自主導航的核心，本部分專注於不依賴外部信號的獨立導航技術。 第四章：陀螺儀與加速度計的誤差建模與補償 深入研究瞭導航級和戰術級慣性導航設備的設計原理。側重於如何建立高保真度的傳感器誤差模型，特彆是當係統處於大過載或非綫性運動狀態時，如何通過軟件補償策略（如溫度補償、激勵器誤差補償）來提高導航精度。 第五章：機械式與光縴陀螺導航 對比分析瞭機械式陀螺、撓度波陀螺（RLG）和光縴陀螺（FOG）的優劣。詳細闡述瞭RLG的鎖相環原理和FOG的Sagnac效應應用，以及現代FOG係統如何通過反饋控製抑製漂移。 第六章：捷聯式導航係統的對準與閉環控製 捷聯式（Strapdown）係統是當前主流。本章詳細討論瞭初始對準過程，包括快速對準（Fast Alignment）和精細對準（Fine Alignment）的數學流程，如何利用初始位置、速度和姿態的先驗信息，結閤地麵觀測數據進行最優估計。並闡述瞭導航平颱穩定控製迴路的設計，確保慣性平颱在高速運動中的穩定工作。 --- 第三部分：衛星導航係統與信號處理 (GNSS and Signal Processing) 本部分側重於外部參考信息的獲取、解算和增強。 第七章：GNSS信號接收與定位原理 係統闡述瞭GPS/北鬥等係統的信號結構、測距原理（僞距、載波相位）。著重分析瞭衛星鍾差、軌道誤差、對流層和電離層延遲的精確建模方法。 第八章：差分與相對定位技術 為瞭剋服單頻/雙頻GNSS的係統誤差，本章詳細介紹瞭差分全球導航衛星係統（DGNSS）的技術。內容包括地麵參考站的建立、改正數的生成、數據鏈傳輸以及用戶端的實時修正算法。同時，引入瞭實時動態載波相位差分（RTK）的核心技術，包括模糊度固定（Integer Ambiguity Resolution）的數學方法，實現厘米級定位。 第九章：導航增強係統與抗乾擾技術 本章探討瞭如何提高GNSS的可用性和魯棒性。內容涵蓋瞭廣域增強係統（WAAS/SBAS）的工作流程、精密單點定位（PPP）的技術原理。此外，針對日益嚴峻的信號欺騙（Spoofing）和乾擾（Jamming）問題，係統介紹瞭信號質量監測、接收機抗乾擾技術和頻率捷變技術的基本原理。 --- 第四部分：現代融閤導航理論與算法 (Modern Integrated Navigation Theory and Algorithms) 現代航空航天器必須依賴多傳感器融閤以達到高魯棒性和高精度。 第十章：數據融閤的基本架構與信息論基礎 本章從信息論的角度闡述瞭傳感器數據融閤的必要性。分類討論瞭融閤架構：集中式融閤、部分集中式融閤和分布式融閤。重點討論瞭數據融閤中的時間同步和空間配準問題。 第十一章：先進狀態估計算法 超越傳統的KF/EKF/UKF，本章深入研究瞭處理復雜非綫性係統和高維狀態空間的高級算法： 1. 粒子濾波 (PF)： 闡述瞭濛特卡洛方法在非高斯、多模態狀態估計中的應用，並分析瞭粒子退化問題及其改進策略。 2. 擴展信息濾波 (EIF) 與麯綫擬閤方法： 探討瞭如何利用迭代優化方法提高非綫性係統的估計精度。 第十二章：基於模型的導航濾波設計 強調瞭將係統動力學模型（如空氣動力學模型、軌道動力學模型）融入到濾波過程中的重要性。介紹如何建立高保真度的係統噪聲模型，以確保濾波器的最優性假設得以滿足。 --- 第五部分：自主導航與應用 (Autonomous Navigation and Applications) 本部分關注導航係統在復雜、未知環境中的實際應用與前沿發展。 第十三章：基於視覺的導航（Vision-Based Navigation） 詳細介紹瞭利用相機獲取環境信息來實現自主導航的技術。內容涵蓋： 1. 視覺裏程計 (VO) 與 SLAM (Simultaneous Localization and Mapping)： 闡述瞭特徵點提取、匹配、姿態估計（如PnP問題求解）的流程。重點區分瞭基於特徵點的方法和基於流場的方法。 2. 深度學習在姿態估計中的應用： 探討瞭捲積神經網絡（CNN）在從圖像直接迴歸姿態角以及場景識彆中的初步應用。 第十四章：多模態傳感器融閤與自主決策 本章探討如何將INS、GNSS、氣壓計、磁力計與視覺傳感器的數據進行統一處理。重點介紹瞭互補濾波（Complementary Filter）和基於圖優化的多傳感器鬆耦閤/緊耦閤框架，如何實現傳感器故障檢測與隔離（FDI）。 第十五章：應用案例與未來趨勢 通過具體的應用案例，如高超聲速飛行器精準軌跡跟蹤、低軌衛星星座編隊飛行以及月球/火星著陸器的地形製導導航（TERCOM/TRN）技術，展示瞭前述理論的工程實現。最後，展望瞭量子導航技術、星敏感器與慣性導航的深度融閤，以及導航係統在強電磁乾擾環境下的生存能力研究方嚮。 --- 目標讀者： 航空航天工程、電子信息工程、控製科學與工程專業的高年級本科生、研究生及相關領域的工程技術人員。 本書特色： 理論推導嚴謹，結閤大量的工程實例和數據分析方法，強調算法的魯棒性和實時性，是連接基礎理論與復雜工程實踐的橋梁。

評分☆☆☆☆☆

不得不承認，《深空探測天文導航原理與方法》是一本極其“硬核”的書，它像是一部精心打磨的“宇宙GPS”操作手冊。對於我這種隻關心“我們什麼時候能登陸月球”的普通讀者來說，這本書提供的視角，是關於“我們如何確保探測器精確抵達並完成任務”的“幕後故事”。它詳細闡述瞭“自主導航”和“地麵測控導航”的優劣勢，以及如何在任務的不同階段進行選擇和配閤。我發現書中對“星光圖像處理”和“目標識彆”的描述非常專業，涉及到大量的圖像算法和模式識彆技術，這讓我明白，探測器看到的“星星”和我們肉眼看到的，經過瞭多麼復雜和精密的加工。我也注意到書中提到瞭“深空通信”的延遲問題，以及如何通過預先計算和自主決策來應對這種延遲。然而，當我看到關於“誤差傳遞”和“不確定性分析”的部分時，我感覺自己仿佛置身於一個充滿數學模型的“黑箱”。書中探討的不僅僅是如何導航，更是如何量化和管理導航過程中的所有不確定性，這是一種令人敬畏的嚴謹。它沒有提供任何關於“外星生命”或者“宇宙奧秘”的浪漫幻想，而是將一切迴歸到最本質的科學和工程問題上。

評分☆☆☆☆☆

這本書簡直是一扇通往宇宙深處的“精密之門”，讓我這個普通讀者看得目瞪口呆。我一直對人類探索宇宙的壯舉感到震撼，尤其好奇那些遙遠的探測器是如何在茫茫宇宙中找到自己的方嚮的。這本書確實解答瞭我一部分的疑惑，但它並沒有止步於“我們是怎麼知道的”，而是深入剖析瞭“我們是怎麼精確地知道的”。書中對於“光度導航”的論述，詳細解釋瞭如何通過測量恒星的亮度變化來校準探測器的望遠鏡指嚮，避免跑偏。我看到它提到瞭“視星等”和“絕對星等”的概念，以及如何利用這些參數來估算探測器與恒星的距離。然而，在讀到關於“自主導航”部分時，我開始感到一絲力不從心。書中關於“卡爾曼濾波”和“擴展卡爾曼濾波”的介紹，雖然作者努力用通俗的語言來解釋，但我仍然無法完全掌握其核心邏輯。那種需要在不確定性中不斷修正自身狀態的感覺，雖然聽起來很酷，但具體到數學公式和算法流程，就變得相當燒腦瞭。這本書顯然是在挑戰讀者的數學和物理功底，它提供的是一種“精確到納米級彆”的導航解決方案，而不是我期望的“大概方位”的科普。

評分☆☆☆☆☆

剛翻完這本《深空探測天文導航原理與方法》，老實說，這本書的封麵設計就透著一股硬核科技感，深邃的宇宙背景和精確的航綫圖，瞬間勾起瞭我對浩瀚星辰的好奇心。但讀完之後，我發現它更像是一本為資深天文愛好者或者相關專業人士量身定做的“硬菜”。書中對於各種望遠鏡的光學原理、信號采集的細節、以及數據處理的復雜算法，都進行瞭非常詳盡的闡述。我尤其對其中關於“星圖匹配”的部分印象深刻，作者詳細介紹瞭如何通過對比觀測到的星光模式與預先建立的星圖數據庫來確定探測器的位置和姿態，這中間涉及到的三角測量、最小二乘法等數學工具，雖然我大部分都似懂非懂，但能感受到其嚴謹與精密。對於我這樣隻是對宇宙充滿嚮往，而缺乏紮實天文和工程背景的讀者來說，很多內容都像是在雲裏霧裏。例如，書中對“深空網”的組成和工作流程的介紹，涉及到射電乾涉、多普勒效應等專業概念，我隻能大緻理解其功能，但要深入探討其背後的物理原理和工程實現，就有些吃力瞭。總體而言，它是一本非常有深度、非常有價值的書籍，但對於普通讀者來說，可能需要極大的耐心和一些預備知識纔能完全領會其精髓。

評分☆☆☆☆☆

這本書在我心中激起瞭一種“技術崇拜”的心理，它讓我看到瞭人類智慧在徵服宇宙過程中的極緻體現。我一直覺得，能夠把探測器送到火星、木星甚至更遠的地方，本身就是一件不可思議的事情。這本書則把這個“不可思議”拆解成瞭一個個具體、嚴謹、甚至有些殘酷的步驟。我看到書中對“軌道傳遞”的詳細描述，解釋瞭如何從一個已知的軌道點精確地計算齣探測器在未來某個時刻會去嚮何方，這其中涉及到各種軌道力學方程和數值積分方法。我特彆留意到書中關於“天體曆錶”的依賴性，以及如何利用這些精確的天體位置數據來修正導航誤差。這讓我聯想到，其實我們生活在一個由數字和公式編織起來的宇宙中，而這本書正是揭示瞭這些“隱藏的代碼”。但當我讀到關於“脈衝星導航”的章節時，我徹底被它的前沿性和復雜性所摺服。書中提到如何利用脈衝星發齣的穩定脈衝信號進行定位，這已經超越瞭我對傳統導航方式的理解範疇，其背後涉及到的高精度時間測量和信號處理技術，讓我感到自己與宇宙的距離，不僅僅是空間的距離，更是認知的距離。

評分☆☆☆☆☆

閱讀《深空探測天文導航原理與方法》的過程，就像是走進瞭一個極其精密的“宇宙測繪實驗室”。我之前總以為探測器導航就是簡單地“對準北極星”之類的，但這本書徹底刷新瞭我的認知。它詳細介紹瞭如何利用不同類型恒星的獨特光譜特徵作為“宇宙指紋”，來識彆並定位探測器。我特彆感興趣的是其中關於“三體問題”和“二體問題”在軌道計算中的應用，這讓我意識到，即使是在看似空曠的宇宙，引力作用也是如此復雜和微妙。書中還提到瞭“光壓效應”和“太陽風”對探測器軌跡的影響，以及如何將這些微小但持續的乾擾因素納入導航模型進行補償。這讓我覺得，探測器在深空中航行，就像是在進行一場與自然規律的精密博弈。然而，當書本進入到“星敏感器”和“慣性測量單元”的聯閤數據融閤章節時，我發現自己已經跟不上作者的思路瞭。那些關於“誤差協方差矩陣”和“狀態嚮量更新”的討論，對我來說簡直是天書。它沒有停留在“我們看到瞭什麼”的層麵，而是深入到瞭“我們怎麼通過數據分析來確認我們看到的”以及“怎麼在不斷的數據流中保持穩定和精確”。