本書系統論述了航天器多源信息融合自主導航的理論、方法和技術問題,內容涉及估計理論、融合算法、性能分析、信息融合自主導航技術以及地面仿真試驗技術等,是作者在從事深空探測自主導航技術研究的基礎上,結合該領域最新研究進展,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,是一本結合基礎理論方法、系統設計分析與仿真試驗技術為一體的技術學術專著。
本書既可作為從事航天工程科研人員的參考書,也可作為高等院校相關專業研究生和高年級本科生的教材。
1.展現了我國空間科學技術的眾多原創性科研成果。
2.反映“互聯網+”與航天技術的融合發展。
3.體現我國空間探索和空間應用的科技創新能力。
4.叢書由葉培建院士領銜，孫家棟、閔桂榮、王希季三位院士聯袂推薦。
5.力圖為研究和設計的人員提供新的設計思路和方法。
王大軼，研究員，博士生導師，現任中國空間技術研究院總體部副部長，國家杰出青年科學基金獲得者，“973項目”技術首席專家。在航天器自主導航與控制領域進行了創新研究工作，解決了一系列關鍵技術問題，為嫦娥月球探測器等型號飛行試驗成功做出了貢獻。2016年獲何梁何利基金科學與技術創新獎，2017年入選國家級百千萬人才工程，是國家有突出貢獻中青年專家。獲國家技術發明二等獎1項，部級一等獎4項、二等獎4項。
李茂登，高級工程師，現任職于北京控制工程研究所。主要從事航天器自主導航、制導與控制方向的研究和深空探測任務GNC方案設計工作。承擔了國家自然科學基金和中國博士后基金等預先研究課題。
黃翔宇，研究員，博士生導師，現任職于北京控制工程研究所。主要從事航天器自主導航與控制方向的預先研究和深空探測任務GNC方案設計工作。獲國家技術發明二等獎1項，部級一等獎3項。
張曉文，高級工程師，現任職于北京控制工程研究所。主要從事深空探測任務GNC方案設計和航天器自主導航與控制方向的預先研究工作，獲部級一等獎1項。
第 1章 緒論 001
1.1 航天器自主導航技術 003
1.1.1 慣性自主導航 003
1.1.2 光學自主導航 012
1.1.3 脈沖星自主導航 015
1.2 多源信息融合技術 020
1.2.1 多源信息融合的定義 020
1.2.2 多源信息融合的模型 021
1.2.3 多源信息融合的分類 022
1.2.4 多源信息融合的方法 023
1.3 航天器多源信息融合自主導航技術 025
1.3.1 研究應用與進展 025
1.3.2 必要性和優勢 026
1.4 本書內容概要 028
參考文獻 031
第 2 章 估計理論 039
2.1 基本概念 040
2.2 幾種常用的最優估計方法 042
2.2.1 最小均方誤差估計 042
2.2.2 極大似然估計 043
2.2.3 極大后驗估計 043
2.2.4 加權最小二乘估計 044
2.3 估計算法的解析形式 045
2.3.1 線性估計算法 045
2.3.2 聯合高斯分布的MMSE估計算法 047
2.3.3 線性觀測對應的估計算法 047
2.4 動態系統中的狀態估計算法 051
2.4.1 遞歸貝葉斯估計算法 051
2.4.2 卡爾曼濾波算法 053
2.4.3 擴展卡爾曼濾波算法 057
2.4.4 無跡卡爾曼濾波算法 059
2.4.5 約束卡爾曼濾波 066
2.5 小結 074
參考文獻 075
第3 章 融合算法 077
3.1 融合結構 078
3.2 線性融合模型和算法 081
3.2.1 線性統一模型 081
3.2.2 線性統一模型下的融合算法 082
3.2.3 分布式融合中的協方差交叉算法 085
3.3 動態系統的集中式融合卡爾曼濾波 089
3.3.1 并行濾波 090
3.3.2 序貫濾波 092
3.3.3 數據壓縮濾波 092
3.4 動態系統的分布式融合卡爾曼濾波 094
3.4.1 標準分布式卡爾曼濾波 094
3.4.2 協方差交叉算法 097
3.4.3 聯邦濾波算法 098
3.5 小結 107
參考文獻 108
第4 章 性能分析 111
4.1 線性系統的可觀性 112
4.1.1 線性定常系統的可觀性 112
4.1.2 線性時變系統的可觀性 115
4.2 非線性系統的可觀性 117
4.2.1 非線性系統可觀性的定義及判據 117
4.2.2 基于奇異值分解的可觀性分析 121
4.3 自主導航系統的可觀度 123
4.3.1 自主導航系統可觀度的分析 124
4.3.2 狀態可觀度分析 127
4.4 蒙特卡洛方法 130
4.5 線性協方差分析技術 132
4.6 小結 135
參考文獻 136
第5 章 時空系統 138
5.1 時間系統 139
5.1.1 時間系統的定義 139
5.1.2 儒略日的定義及轉換 141
5.2 參考坐標系及坐標系變換 143
5.2.1 參考坐標系的定義 143
5.2.2 坐標系之間的變換 146
5.3 導航天體的星歷 148
5.3.1 高精度天體星歷計算 148
5.3.2 簡單天體星歷計算 151
5.4 小結 153
參考文獻 154
第6 章 動力學模型與環境模型 155
6.1 軌道動力學模型 156
6.1.1 軌道攝動模型 156
6.1.2 軌道動力學方程表達形式 167
6.1.3 航天器軌道動力學模型 168
6.2 姿態運動學模型 170
6.2.1 姿態的描述 170
6.2.2 姿態運動學方程 178
6.3 火星環境模型 182
6.3.1 火星橢球模型 182
6.3.2 火星引力場模型 183
6.4 小行星環境模型 184
6.4.1 小行星三維模型 184
6.4.2 小行星引力場模型 185
6.5 小結 186
參考文獻 187
第7 章 慣性自主導航技術 189
7.1 測量方程 191
7.1.1 陀螺測量方程 191
7.1.2 加速度計測量方程 192
7.2 捷聯式慣性導航的微分方程 193
7.3 捷聯式慣性導航的外推方程 195
7.3.1 慣性姿態外推方程 195
7.3.2 慣性速度外推方程 197
7.3.3 慣性位置外推方程 198
7.4 圓錐和劃槳效應補償 199
7.4.1 圓錐效應補償 199
7.4.2 劃槳效應補償 201
7.5 捷聯式慣性導航的誤差模型 203
7.6 慣性器件標定及誤差補償 204
7.6.1 陀螺誤差的標定算法 205
7.6.2 標定算法的可觀性分析 207
7.6.3 分層濾波策略 208
7.7 仿真應用實例 210
7.7.1 陀螺在軌標定 210
7.7.2 基于慣性測量單元的月球軟著陸自主導航 213
7.8 小結 216
參考文獻 217
第8 章 光學自主導航技術 218
8.1 光學自主導航原理 220
8.2 光學成像敏感器 223
8.3 備選導航路標的選取標準 226
8.3.1 導航路標為自然天體 226
8.3.2 導航路標為自然天體表面的特征點 231
8.4 光學自主導航測量方程 233
8.4.1 基于大天體視半徑信息的測量方程 233
8.4.2 基于視線方向信息的測量方程 234
8.5 基于幾何可觀性分析的導航路標規劃 240
8.5.1 幾何可觀性分析 240
8.5.2 最優導航路標規劃 243
8.6 導航濾波算法 245
8.6.1 批處理濾波算法 246
8.6.2 卡爾曼濾波算法 249
8.7 仿真應用實例 251
8.7.1 基于小行星觀測的深空轉移段自主導航 251
8.7.2 基于行星衛星和行星觀測的深空接近段自主導航 259
8.7.3 基于行星衛星觀測的深空環繞段自主導航 267
8.8 小結 270
參考文獻 271
第9 章 脈沖星自主導航技術 274
9.1 基本概念 276
9.1.1 脈沖星自主導航的基本原理 276
9.1.2 脈沖星的天文概念 278
9.1.3 X射線脈沖星自主導航及其優勢 281
9.1.4 脈沖星自主導航的方案與流程 282
9.2 脈沖星自主導航的關鍵技術 285
9.2.1 光子探測技術 285
9.2.2 光子TOA 的時間尺度轉換 286
9.2.3 光子TOA 的空間尺度轉換 288
9.2.4 脈沖輪廓的生成 291
9.2.5 脈沖輪廓對比 293
9.2.6 脈沖星計時模型 293
9.3 脈沖星自主導航的誤差源 295
9.3.1 光子探測器時間分辨率 295
9.3.2 星鐘偏差 295
9.3.3 光子TOA 的時間尺度轉換模型誤差 296
9.3.4 光子TOA 的空間尺度轉換模型誤差 296
9.3.5 光子TOA 測量誤差 297
9.4 備選導航脈沖星的選取 299
9.4.1 選取標準 299
9.4.2 選星結果 300
9.5 測量方程 305
9.5.1 日心軌道段的測量方程 305
9.5.2 目標天體飛行段的測量方程 307
9.6 導航算法 309
9.6.1 幾何定軌算法 309
9.6.2 動力學定軌算法 310
9.7 基于可觀性分析的導航脈沖星規劃 312
9.7.1 導航脈沖星規劃 312
9.7.2 規劃結果 313
9.8 仿真應用實例 316
9.8.1 基于脈沖星觀測的深空轉移段自主導航 316
9.8.2 基于脈沖星觀測的深空接近段自主導航 323
9.8.3 基于脈沖星觀測的深空環繞段自主導航 327
9.9 小結 330
參考文獻 331
第 10 章 光學與脈沖星融合自主導航技術 334
10.1 導航路標規劃算法 336
10.1.1 基于幾何可觀性分析的導航路標規劃算法 336
10.1.2 基于動態可觀性分析的導航路標規劃算法 340
10.2 自主導航濾波及系統誤差校正 346
10.2.1 系統誤差建模 346
10.2.2 單個子系統的導航濾波及誤差校正 347
10.2.3 融合自主導航濾波及誤差校正 348
10.3 仿真應用實例 351
10.3.1 基于小行星和脈沖星觀測的深空轉移段融合自主導航 351
10.3.2 基于大天體、大天體衛星和脈沖星觀測的深空接近段融合自主導航 360
10.3.3 基于行星衛星和脈沖星觀測的深空環繞段自主導航 363
10.4 小結 370
參考文獻 371
第 11 章 慣性與測距測速/光學融合自主導航技術 373
11.1 軟著陸飛行過程 375
11.2 軟著陸自主導航系統 379
11.2.1 軟著陸自主導航系統的組成和工作流程 379
11.2.2 慣性測量單元 380
11.2.3 測距敏感器和測速敏感器 381
11.2.4 光學成像敏感器 381
11.3 測量方程 383
11.3.1 測距測量方程 383
11.3.2 測速測量方程 384
11.3.3 基于圖像的測量方程 384
11.4 可觀性分析 385
11.4.1 IMU＋測距測速修正的自主導航 385
11.4.2 IMU＋圖像修正的自主導航 388
11.5 融合自主導航方法 391
11.5.1 IMU＋測距測速進行三維位置和速度修正 391
11.5.2 IMU＋測距測速進行高度和速度修正 392
11.5.3 IMU＋圖像進行三維位置和速度修正 396
11.6 仿真應用實例 399
11.6.1 IMU＋測距測速修正的自主導航 399
11.6.2 IMU＋圖像修正的自主導航 405
11.7 小結 410
參考文獻 411
第 12 章 航天器多源信息融合自主導航仿真試驗技術 413
12.1 光學與脈沖星融合自主導航試驗技術 414
12.1.1 光學與脈沖星融合自主導航的試驗方案 414
12.1.2 光學與脈沖星融合自主導航試驗系統的組成 415
12.1.3 光學與脈沖星融合自主導航的試驗實例 421
12.2 慣性與測距測速融合自主導航試驗技術 426
12.2.1 慣性與測距測速融合自主導航的試驗方案 426
12.2.2 慣性與測距測速融合自主導航試驗系統組成 427
12.2.3 慣性與測距測速融合自主導航的試驗實例 430
12.3 小結 435
參考文獻 436
第 13 章 航天器多源信息融合自主導航技術的發展展望 437
13.1 航天器多源信息融合自主導航方案的發展 439
13.1.1 基于光學測量的融合自主導航 439
13.1.2 基于慣性測量的融合自主導航 440
13.1.3 基于深空導航星座的自主導航 440
13.2 信息融合技術的發展 442
13.2.1 融合結構的發展 442
13.2.2 濾波與融合算法的發展 443
13.3 融合自主導航敏感器的發展 446
13.4 結束語 448
參考文獻 449
附錄A 單位、常數及單位換算 451
A.1 單位和常數 452
A.2 單位換算 454
A.2.1 時間換算 454
A.2.2 角度換算 454
附錄B 常用函數的導數 455
附錄C 矩陣相關知識 458
C.1 矩陣跡運算 459
C.2 Kronecker算子 460
C.3 Vec算子 461
C.4 矩陣微積分 462
C.5 叉乘算法 466
C.6 矩陣相關定理 467
C.7 矩陣等式 468
C.8 矩陣不等式 469
附錄D 概率相關知識 472
D.1 基本概念 473
D.1.1 概率公理 473
D.1.2 聯合概率與條件概率 473
D.1.3 貝葉斯公式和全概率公式 474
D.1.4 獨立與條件獨立 474
D.2 一元隨機變量 476
D.2.1 分布函數和密度函數 476
D.2.2 條件分布 477
D.2.3 均值和方差 477
D.3 二元隨機變量 478
D.3.1 聯合分布函數和分布密度 478
D.3.2 條件分布 479
D.3.3 協方差及兩個隨機變量的關系 479
D.4 隨機向量 480
D.4.1 聯合分布函數和分布密度 480
D.4.2 條件概率相關公式 481
D.4.3 單個隨機向量的統計特性 481
D.4.4 兩個隨機向量的統計特性 482
D.5 高斯隨機變量 483
D.5.1 定義 483
D.5.2 聯合高斯分布 484
附錄E 約束優化 487
附錄F 光學成像敏感器的坐標變換 489
附錄A F的參考文獻 491
附錄G 縮略語 492
附錄H 數學術語 497
索引 501
新書資訊