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內容簡介: |
本书主要介绍了飞行器GNC系统研制工程应用算法、建模和仿真验证,包括组合定姿、组合导航、姿态控制、轨道控制和深空探测GNC等相关的算法、建模和仿真。空间飞行器GNC系统工程应用算法简单可靠,物理概念清晰,适合工程应用,可以作为飞行器导航、制导与控制专业研究生教材,也可以供从事飞行器GNC系统设计与研制的技术人员及高等院校相关专业的师生参考。
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關於作者: |
崔平远,1961年出生,教授,工学博士,博士生导师。任北京理工大学特聘教授,国际宇航科学院通讯院士,国务院学位委员会航空宇航学科评议组成员等职务。葛丹桐,北京理工大学助理教授,硕士生导师,从事深空探测自主导航与制导研究。发表学术论文40余篇,授权专利10余项。朱圣英,北京理工大学教授,博士生导师,从事深空探测自主导航制导与控制研究。发表学术论文100余篇,出版专著5部。梁子璇,1988年生人,北京理工大学教授,博士生导师,主要从事飞行器制导控制方面研究。发表学术论文60余篇。邵巍,青岛科技大学教授,博士生导师。山东省重点实验室主任,从事深空探测自主导航、机器视觉与智能感知等研究。
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目錄:
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第1章绪论1
1.1引言1
1.1.1小行星附着概念与特点1
1.1.2典型附着任务1
1.2小行星附着的主要问题5
1.3附着自主导航与制导6
1.4本书主要内容8
参考文献9
第2章小行星附着动力学建模10
2.1常用坐标系定义10
2.2不规则引力场模型11
2.2.1级数展开法11
2.2.2三维模型逼近法15
2.3小行星附着动力学模型19
2.4柔性附着动力学模型20
参考文献24
第3章星表导航特征提取与匹配25
3.1形貌特征检测与匹配25
3.1.1陨石坑检测25
3.1.2岩石检测30
3.1.3形貌特征匹配34
3.2点线特征提取匹配41
3.2.1尺度不变特征点提取匹配41
3.2.2光照视角不变特征点提取匹配44
3.2.3特征曲线提取匹配49
3.3特征误匹配校正与剔除52
3.3.1基于仿射不变量的误匹配校正52
3.3.2随机采样一致性误匹配剔除57
参考文献59
第4章附着自主光学导航60
4.1特征矢量观测相对导航60
4.1.1相对导航坐标系60
4.1.2相对位姿估计63
4.2特征曲线匹配光学导航69
4.2.1特征曲线观测模型69
4.2.2已知特征曲线的位姿确定71
4.2.3帧间匹配运动状态估计74
4.3多源信息融合自主导航79
4.3.1自主导航观测模型80
4.3.2探测器状态融合估计82
参考文献90
第5章附着轨迹优化与制导91
5.1附着轨迹优化设计91
5.1.1燃耗最优附着轨迹设计91
5.1.2附着轨迹序列凸优化98
5.2障碍规避轨迹优化与制导104
5.2.1复杂形貌附着凸轨迹优化104
5.2.2基于碰撞概率的避障制导109
5.3不确知环境主动附着策略114
5.3.1主动附着多模式设计114
5.3.2应急转移轨迹优化与制导116
参考文献121
第6章柔性附着协同感知与导航122
6.1柔性附着多视角协同感知122
6.1.1多视角投影模型构建122
6.1.2多视角感知信息融合125
6.2柔性着陆器位姿表征与协同估计127
6.2.1柔性着陆器位姿表征127
6.2.2柔性附着状态协同估计128
6.3柔性附着状态融合衍生估计133
6.3.1导航特征融合衍生133
6.3.2柔性附着状态融合估计141
参考文献148
第7章柔性附着协同制导与控制149
7.1柔性附着轨迹规划149
7.1.1柔性附着约束建模149
7.1.2燃耗最优轨迹规划150
7.2柔性附着强约束协同制导159
7.2.1柔性附着解析协同制导159
7.2.2柔性附着智能协同制导163
7.3柔性附着强耦合协同控制167
7.3.1节点相对高度表征168
7.3.2柔性附着最优协同控制168
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內容試閱:
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小行星是开展深空探测活动的重点天体目标,小行星探测是揭示宇宙和生命起源、开发地外资源、推动技术进步、保护地球安全的重要技术途径。与月球、火星相比,小行星体积小、形状不规则、引力场弱且分布不均匀,在小行星上着陆,可看作探测器接近并停靠于小行星表面,故又将此类着陆称为“附着”。本书基于作者多年来在小行星附着自主导航与制导方面的研究工作,主要是主持的“深空973”计划项目和国家重点研发计划项目的研究成果,并参考相关优秀文献而完成。期待本书所介绍的小行星附着自主导航与制导理论方法和最新研究成果,能为我国小行星探测与防御相关任务的规划、设计与实施提供技术支持。
全书共分为7章。第1章介绍小行星附着过程特点,以及附着自主导航与制导主要问题;第2章从动力学模型出发,分别介绍小行星不规则引力场建模、附着动力学建模、柔性附着动力学建模方法;第3章分别从形貌特征和点线特征的检测提取,以及特征匹配与误匹配剔除方面介绍导航特征提取与匹配方法;第4章围绕附着自主光学导航特点,介绍基于光学导航观测信息的绝对和相对导航方法;第5章针对附着轨迹优化与制导问题,分别给出燃耗最优和障碍规避的轨迹优化与制导方法,以及不确知环境主动附着策略;第6~7 章围绕柔性附着的最新研究成果,分别从协同感知与导航、协同制导与控制两方面介绍小行星柔性着陆器自主导航与制导方法。
本书围绕弱引力小行星附着的特殊环境,系统介绍了小行星附着过程的自主导航与制导理论方法,包括特征曲线识别提取与优选、绝对定位与相对运动估计、复杂形貌避障与主动附着策略、柔性附着状态协同估计与协同制导控制等理论方法。其中包含了针对解决弱引力环境下小行星附着易反弹、倾覆、逃逸等难点问题而提出的主动附着策略、柔性附着模式等最新研究成果。本书的主要读者对象为从事深空探测,尤其是小行星探测与防御相关工作的研究人员和科技工作者,本书也可作为航空宇航和控制等学科的研究生教学参考书。
本书初稿完成于2022年秋,后几经修改,及时补充了国家重点研发计划项目的最新研究结果,同时得到了栾恩杰院士的精心指导。回顾二十四年前栾恩杰院士引领我们进入深空探测领域耕耘的情景仍历历在目,借此《小行星附着自主导航与制导》专著出版的机会,对栾恩杰院士的持续引领、指导和鼓励表示衷心的感谢。
本书包含了作者所在研究团队的相关研究成果,多位已毕业博士和硕士的研究工作为本书的撰写提供了支持,在此一并致谢。
本书的出版得到了“航天科技图书出版基金”的资助,同时得到了“国家重点研发计划项目(2019YFA0706500)”的资助。
由于作者水平所限,书中难免存在疏漏和不足之处,恳请广大读者不吝指正。
作者
2024年5月于北京
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