航天器自主天文导航原理与方法(第2版)/航天器和导弹制导导航与控制 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:国防工业

作者:房建成//宁晓琳//刘劲

出品人:

页数:

译者:

出版时间:2017-05-01

价格:198.0

装帧:

isbn号码:9787118110906

丛书系列:

图书标签:

• 火箭
• 航天器导航
• 自主导航
• 天文导航
• 制导与控制
• 惯性导航
• 星敏感器
• 导航算法
• 姿态确定
• 轨道确定
• 空间目标识别

现代航天器姿态确定技术：从传感器到控制 图书简介 本书深入探讨了现代航天器自主姿态确定与控制领域的核心理论、关键技术以及工程应用实践。随着航天任务复杂度的不断提升，对航天器自主导航、特别是高精度姿态敏感性与鲁棒性的要求日益迫切。本书聚焦于支撑这一切的技术基石——姿态敏感器件的原理、姿态估计算法的构建以及姿态控制系统的设计与优化，旨在为从事航天器系统工程、自动控制、空间科学以及相关领域的研究人员、工程师和高年级学生提供一部全面且深入的参考著作。 全书内容结构严谨，逻辑清晰，从基础理论出发，逐步深入到前沿技术应用，力求覆盖当前航天姿态确定与控制领域的主要挑战和解决方案。 第一部分：航天器姿态运动学与动力学基础 本部分首先为后续的姿态敏感与估计奠定必要的数学和物理基础。 1. 空间运动学基础与姿态描述 详细阐述了描述航天器空间姿态的各种数学工具，包括欧拉角、旋转矩阵、四元数以及变换群的性质。重点分析了不同描述方法之间的转换关系、奇异性问题（如万向锁）及其在工程实践中的规避策略。引入了旋转矢量和罗德里格斯参数，探讨了它们在姿态传播和最优估计中的应用优势。 2. 航天器刚体动力学 深入剖析了牛顿-欧拉方程在线性化与非线性形式下的推导过程，详细讨论了惯性力矩、外部扰动力矩（如大气阻力、辐射压力、地球磁场矩）对航天器姿态运动的影响建模。特别关注了在低轨道、地球同步轨道和深空任务中，不同外部扰动对姿态稳定性的耦合效应分析方法。 3. 外部参考系与坐标系转换 系统梳理了航天器姿态确定中常用的惯性系、地固系、日固系等参考系之间的精确转换模型。详细介绍了J2000惯性系、ICRF（国际天球参考系）以及与任务相关的局部坐标系建立的规范和精度要求，为后续的导航解算提供了统一的参考框架。 第二部分：姿态敏感器件原理与数据处理 姿态敏感器件是获取姿态信息的源头，其性能直接决定了姿态确定的精度和可靠性。本部分对主流和新兴的敏感器件进行了详尽的论述。 4. 惯性传感器：陀螺仪与加速度计 全面介绍了机械式、光纤陀螺（FOG）和激光陀螺（LROG）的工作原理、误差模型（如漂移、比例因子误差、白噪声等）。对微机电系统（MEMS）惯性器件的性能特点和在小型化航天器中的应用进行了分析。深入讲解了加速度计在导航中对轨道漂移的辅助作用，以及如何通过误差补偿技术提升其短期稳定性。 5. 磁力计与地球磁场模型 阐述了磁力计的测量原理及其在磁层环境下的应用。重点介绍了 IGRF（国际地磁参考场）模型、修正的地球磁场模型以及在磁力矩执行机构控制中的必要性。讨论了磁场测量中存在的局部干扰源（如航天器本身磁矩）的抑制与分离技术。 6. 敏感器系统：星敏感器与太阳敏感器 详细分析了光电转换原理、像移效应、噪声特性及标定流程。对于星敏感器，讨论了星表选取、星点识别算法（如霍夫变换、模板匹配）以及高精度质心定位技术。针对不同任务（如深空探测、地球观测），提出了选择不同视场和分辨率敏感器的设计准则。 7. 遥感器：GPS/GNSS接收机与激光雷达 探讨了利用卫星导航系统（GNSS）接收机获取航天器轨道信息和部分姿态信息的原理。引入了激光雷达（LiDAR）在近距离交会对接或编队飞行中提供相对位置和姿态信息的技术细节，包括测距原理、点云数据处理和滤波方法。 第三部分：姿态估计与数据融合技术 本部分是本书的核心，着重于如何将来自不同传感器的异构、带有噪声的数据，实时、有效地融合，从而获得高精度的姿态估计结果。 8. 经典滤波理论与姿态估计 详细回顾了卡尔曼滤波（KF）的原理及其在线性系统中的应用。重点阐述了扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）在线性化误差较大的非线性姿态动力学模型中的应用与改进策略，包括雅可比矩阵的计算和协方差矩阵的传播。 9. 非线性滤波与最优估计 深入探讨了粒子滤波（PF）在姿态估计中的应用，尤其是在初始姿态不确定性较大或模型误差显著时的鲁棒性优势。引入无迹卡尔曼平滑（UKS）和迭代卡尔曼平滑（IKS），用于事后高精度轨迹重构。 10. 姿态误差的概率密度函数与姿态导航方程 阐述了基于误差四元数或误差欧拉角的状态向量定义方法，并推导了在不同坐标系下姿态误差的演化方程。讨论了采用基于流形的高斯分布（如修正的卡尔曼滤波）来更精确描述姿态不确定性的前沿方法。 11. 姿态估计的判优与鲁棒性增强 分析了基于最小二乘原理的批处理（Batch）姿态确定方法，如Davenport Q-Method和衍生的迭代算法。重点讨论了如何利用对偶滤波（Dual Filter）结构增强系统对传感器故障和模型突变的检测与隔离能力，确保姿态估计的连续性和可靠性。 第四部分：姿态控制系统设计与执行机构 本部分将姿态估计结果转化为实际的控制动作，实现对航天器姿态的精确机动和保持。 12. 执行机构特性与建模 详述了反作用轮、动量轮（包括CMG）、磁力矩器和微推进器的工作原理、性能指标（如转矩范围、功率消耗、寿命）及其在不同任务中的适用性。重点分析了执行机构的饱和、耦合效应和饱和处理策略。 13. 经典姿态控制律设计 系统介绍了基于线性二次型调节器（LQR）、$mathcal{H}_{infty}$ 控制器以及鲁棒PID控制器的姿态控制律设计方法。特别关注了在陀螺零偏、传感器噪声存在下的最优增益选择与参数整定方法。 14. 非线性与基于能量的控制方法 深入讲解了基于能量函数的间接/直接自适应控制方法，以应对航天器质量参数或惯量张量变化带来的不确定性。探讨了滑模控制（SMC）在抵抗外部干扰和实现快速姿态机动中的应用及其抖振问题。 15. 故障诊断与容错控制 讨论了先进的故障检测与隔离（FDI）技术在姿态系统中的应用，如基于残差的检测方法和基于分析冗余的校验方法。提出了在部分传感器或执行器失效时，如何通过控制律重构（如切换控制）来维持任务的容错设计思想。 --- 本书的特色在于理论的严谨性与工程应用的紧密结合。每个章节后的案例分析均引用了实际航天任务中的典型场景和数据特性，帮助读者理解如何将抽象的数学模型转化为可靠的工程实现，是航天姿态动力学与控制领域不可或缺的专业参考书。

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作为一个非专业人士，在阅读一些涉及高等数学和物理学的章节时，我确实感受到了一些挑战。然而，作者的叙述风格在保持严谨性的同时，也尽量照顾到了不同背景的读者。在一些复杂的公式推导后，往往会配以通俗易懂的文字解释，或者用类比的方式来帮助理解。我尤其喜欢书中关于“星象匹配”的讲解，作者将复杂的几何学和三角学问题，通过形象的比喻，让我在脑海中勾勒出了航天器如何“抬头看星星”，并将其与预设的星图进行比对的过程。这种“接地气”的讲解方式，极大地降低了理解门槛。

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书中关于“误差分析与修正”的章节，是我认为最贴近实际工程应用的部分。自主导航的精度直接关系到航天器任务的成败，而误差的存在是不可避免的。作者详细分析了各种可能的误差来源，包括传感器误差、模型误差、计算误差等等，并针对这些误差提出了有效的补偿和修正方法。我印象深刻的是关于“姿态确定误差”的讨论，这涉及到复杂的旋转矩阵和四元数运算，但作者通过实例讲解，让我理解了这些数学工具在实际中是如何工作的。这部分内容让我看到了科学家和工程师们是如何在充满不确定性的环境中，不断追求极致精度的。

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总而言之，这本书是一部集理论性、实践性、前瞻性于一体的优秀学术专著。它不仅为我这个普通读者打开了了解航天器自主天文导航领域的一扇大门，更让我对人类探索宇宙的智慧和勇气有了更深的敬意。虽然书中有些内容对于我来说仍然具有一定的挑战性，但正是这种挑战，激发了我持续学习和探索的动力。我相信，对于任何对航天科学和技术感兴趣的读者，无论是在校学生、科研人员，还是像我一样的科技爱好者，这本书都将是一笔不可多得的精神财富。它让我看到了科学的魅力，也让我对人类的未来充满了无限遐想。

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本书的另一大亮点在于其系统性。它不仅仅局限于某一具体的技术点，而是从宏观的原理出发，逐步深入到具体的实现方法。我特别欣赏书中在介绍不同导航算法时，都会追溯其理论基础，并分析其优缺点。例如，在讨论卡尔曼滤波及其变种时，作者不仅给出了数学推导，还结合实际的航天器动力学模型，阐述了不同滤波器的适用场景和性能差异。这种循序渐进的讲解方式，使得读者能够建立起一个完整的知识体系，而不是零散的碎片化信息。对于我这样希望构建全面理解的读者来说，这无疑是一笔宝贵的财富。

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在探讨“方法”时，本书展现了其前瞻性。我注意到书中不仅介绍了当前主流的自主天文导航技术，还对一些新兴的研究方向进行了展望。例如，关于利用脉冲星进行导航的探讨，以及与人工智能技术相结合的可能性。这让我感受到，本书不仅仅是在总结过去的成就，更是在引领未来的发展方向。对于希望了解航天器导航领域未来趋势的读者来说，这本书提供了宝贵的洞察。它让我意识到，科技的进步是永无止境的，而这些前沿的探索，正将人类的活动边界不断拓展。

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本书的另一大特色是其丰富的案例研究。作者并没有仅仅停留在理论层面，而是结合了多个真实的航天器任务，详细阐述了自主天文导航在实际应用中的挑战与解决方案。我特别关注了关于深空探测器任务的案例，它们往往面临着信号延迟、通信中断以及长距离导航的难题。书中通过这些案例，生动地展示了自主天文导航在克服这些困难方面的关键作用，让我对理论知识的实际价值有了更直观的认识。这些案例的分析，让我仿佛置身于任务控制中心，与工程师们一起经历着每一次关键的导航决策。

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在阅读本书的过程中，我对于“导航”二字有了全新的理解。它不再仅仅是简单的“知道我在哪里”，而是包含了对自身状态的精确感知、对外部环境的智能判断，以及对未来路径的自主规划。书中关于“航迹规划与修正”的部分，让我认识到自主导航的动态性和适应性。航天器并非一成不变地按照既定轨道运行，而是会根据实时的导航信息，动态地调整其航迹，以应对突发情况或优化任务效率。这种“活”的导航概念，让我对航天器运行的复杂性有了更深刻的体会。

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这本书的封面设计给我留下了深刻的第一印象，简洁而有力。航天器和导弹的剪影，在深邃的宇宙背景下若隐若现，立刻勾勒出了本书的主题——将人类的智慧延伸至星辰大海，并以此为坐标，实现对精密仪器的精准控制。我尤其欣赏那种流线型的设计感，仿佛预示着书中内容的速度与精度，让人不禁对其内部的知识宝藏充满好奇。打开扉页，一股浓厚的学术气息扑面而来，字体、排版都透露出严谨与专业。虽然我并非直接从事航天领域的科研人员，但作为一名对科技前沿充满热情的爱好者，我对“自主天文导航”这个概念一直有着浓厚的兴趣。以往接触到的相关信息，大多停留在浅显的科普层面，缺乏系统性的理论阐述。因此，当看到“原理与方法”这几个字时，我便知道，这可能是我深入理解这一复杂领域的一扇绝佳窗口。

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在阅读本书的过程中，我对于“自主”二字的理解有了更深层次的认识。以往我们可能习惯于地面控制中心对航天器的指令下达，而自主导航则意味着航天器本身拥有了“大脑”和“眼睛”。书中关于传感器误差补偿、数据融合以及模糊逻辑在导航决策中的应用，让我对这种“自主性”的实现机制有了更清晰的认识。我特别关注了书中关于如何处理不确定性信息的部分，例如传感器短暂失灵或者遇到未知天体干扰时，航天器如何通过内部的算法进行自我纠正和判断。这部分内容对于保障航天器在极端环境下的任务成功率具有至关重要的意义，也展现了作者对于实际应用场景的深刻洞察。

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第一眼翻开，我就被书中大量细致的图表和公式所吸引。这绝不是一本仅靠文字堆砌的书籍，而是充满了科学的严谨性和逻辑性。我尤其对其中关于恒星模型构建的部分印象深刻。作者并没有简单地罗列恒星数据，而是详细地阐述了如何从观测数据中提取信息，如何建立精确的恒星模型，以及这些模型在导航过程中的作用。这部分内容对于理解自主天文导航的基石至关重要。我尝试着去理解那些符号和方程，虽然有些地方需要反复琢磨，但那种“拨云见日”的感觉非常令人兴奋。想象一下，在茫茫宇宙中，无数星辰在以我们无法直接感知的方式指引着航天器的方向，而这些公式，便是解析这宇宙语言的钥匙。书中对于不同类型恒星的光谱特性、视星等以及空间位置的精确描述，都让我看到了作者在细节上的极致追求。

评分☆☆☆☆☆

星光折射概念用于航天制导时。折射角，光频，大气密度这些也许有天可以人为测定，星光数目与折射方向需要建立整套完整星图。个人感觉只有上帝视角可以做到。不看好这个的可发展性。ps研究天文的有一点好处，很多馊主意无法实施总可以归给那些名字牛逼的某某误差。。。不必承认一开始是立项失职。再不，还可以跟你谈梦想“人类对于太空的探索从远古天圆地方到我们的航天器巴拉巴拉anything is possible。。。”你敢说某些东西不可行那就是没梦想。。。非得花好多经费研究个几年然后说此项目暂时没有取得成果。。。大胆假设不是这么个做法吧。星光折射最大概率应该类似太阳能在航天上的应用，吸收能量，而无法做到精确计量。个人愚见，如果建了座高楼，肉眼都看出来是歪的，那就真的歪了吧。

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