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页数:191

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出版时间:2009-6

价格:26.00元

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isbn号码:9787030245342

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• 电子测量
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• 信号处理
• 传感器
• 自动化
• 实验教学
• 通信测试

《深空探测器的导航与控制：从理论到实践》 书籍简介 本书系统深入地探讨了现代深空探测器在执行复杂空间任务过程中所依赖的关键技术——导航与控制（Guidance, Navigation, and Control，简称GNC）。本领域是航天工程中最具挑战性和前沿性的交叉学科之一，它直接决定了探测器能否精确地抵达预定目标、完成科学采样、并安全返回地球。本书旨在为航天工程师、研究生以及对空间任务设计感兴趣的专业人士提供一个全面、严谨且具有极强实践指导意义的参考。 全书内容组织围绕深空任务的生命周期展开，从任务规划初期的轨道设计，到发射后的地月转移、行星际巡航，再到目标星体附近的捕获、着陆与姿态维持，每一个关键环节都与高精度的导航定位和可靠的姿态控制紧密相连。 第一部分：基础理论与空间运动学 本书首先构建了进行深空导航与控制所需的基础数学和物理框架。这部分详细回顾了牛顿万有引力定律在多体系统中的应用，特别强调了二体、三体以及限制性四体问题（如地月系统）的解析和数值解法。 在运动学方面，本书深入讲解了描述空间目标和探测器姿态的各种数学工具。这包括欧拉角、四元数（Quaternions）的详细推导及其在避免万向节锁（Gimbal Lock）方面的优势。我们特别引入了先进的旋转矩阵理论，并结合具体实例展示了如何在非惯性参考系中精确描述探测器的角速率和姿态演化。此外，还专门辟章节讨论了时间系统在深空任务中的重要性，对比分析了儒略日、原子时和空间飞行时间（SFT）的转换与应用。 第二部分：深空探测器导航技术 导航是确定探测器在空间中“我在哪里”的问题。本书将导航技术划分为“测量”和“估计”两个核心层面。 测量系统： 详细分析了深空任务中常用的距离、速度和角度测量技术。重点讨论了深空网络（DSN）测距测速原理，包括双向测距、多普勒频移测量在高精度轨道确定中的作用。对于近距离操作，本书详述了星敏感器（Star Trackers）、太阳敏感器（Sun Sensors）以及惯性测量单元（IMU，包括陀螺仪和加速度计）的工作原理、误差模型和数据融合方法。特别地，本书对新一代技术如激光雷达（LiDAR）和地形相对导航（TRN）在火星和月球着陆中的应用进行了深入的案例分析和性能评估。 状态估计： 导航的核心在于从带有噪声的测量数据中恢复出探测器精确的状态向量（位置、速度、姿态）。本书系统介绍了卡尔曼滤波（Kalman Filter, KF）的经典形式，并扩展至非线性系统的扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）。针对深空任务中测量不确定性和模型误差的特点，我们详细阐述了批处理最小二乘法（Batch Least Squares）和迭代批处理方法在轨道精修阶段的流程与实现细节，包括如何构建有效的观测方程和状态方程，以及如何处理外部扰动力矩（如太阳辐射压力）的影响。 第三部分：深空探测器控制技术 控制是解决“我要去哪里”和“如何到达那里”的问题。本书聚焦于轨道控制和姿态控制两大方面。 轨道机动设计与执行： 轨道控制策略是深空任务的核心挑战之一。本书从理论上推导了霍曼转移轨道的优化条件，并系统介绍了变推力机动（Low Thrust Maneuvers）和脉冲最优控制理论（Impulsive Optimal Control）。针对行星际巡航中的轨道维持和轨迹修正（TCMs），本书提供了详细的燃料最优设计方法，包括使用高阶多项式插值和数值优化工具箱（如MATLAB的Optimization Toolbox）进行实际的轨道设计流程。对于行星捕获和近距离飞越（Flyby）等高难度机动，我们提供了详细的弹道设计和校正算法。 姿态与反应控制系统（ACS/RCS）： 探测器的姿态稳定和精确指向至关重要。本书详细分析了影响姿态控制的各种力矩来源，如大气阻力（如果适用）、地球/行星引力矩、以及重要的太阳辐射压力矩。在执行机构方面，详细介绍了反应轮（Reaction Wheels）和动量轮的饱和与卸载策略，以及磁力矩器（Magnetorquers）在地球轨道和近地空间中的应用。对于需要高精度指向或快速响应的任务，本书探讨了先进的控制律设计，包括LQR（Linear Quadratic Regulator）控制器和滑模控制（Sliding Mode Control）在抑制外部扰动方面的性能对比。 第四部分：自主与智能技术集成 面对日益增长的深空任务复杂度（如火星采样返回、小行星伴飞），完全依赖地面测控的遥控模式已难以满足实时性要求。本书的最后部分聚焦于深空探测器的自主化技术。 自主导航： 深入探讨了自主导航系统的架构，特别是如何将车载传感器数据与事先存储的地图信息进行融合。详述了基于视觉特征点的相对导航技术，如何实现对目标天体（如陨石坑、山脊线）的识别和定位，从而独立完成着陆点选择和姿态修正。 健康监测与故障诊断： 讨论了系统级软件的鲁棒性设计。通过对传感器冗余管理、执行器健康状态监测以及基于模型的残差分析，实现探测器在长距离通信延迟下的自我诊断和故障恢复策略（Fault Detection, Isolation, and Recovery, FDIR）。 结语与展望 本书在每个章节后都附带了具有工程背景的习题和案例分析，旨在巩固理论知识并提升解决实际工程问题的能力。通过对深空任务中导航与控制这一复杂系统的全面剖析，本书为读者构建了一个坚实的知识体系，使其能够参与到未来载人登月、小行星取样、木星系探测等重大深空工程的设计与实现中。本书不仅仅是一本理论教材，更是一本指导未来深空探索实践的工具书。

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这本书的语言风格非常平实、朴素，没有那种故作高深的学术腔调，这使得它在众多技术书籍中显得格外亲切。我注意到作者在介绍每一个新的测试概念时，都会先从一个非常贴近日常生活的比喻或例子开始，这种教学方法极大地降低了初学者的学习门槛。比如，他对“阻抗匹配”这个核心概念的解释，竟然用到了水管中水流的类比，一下子就把那个抽象的电磁学概念给具象化了。此外，这本书的章节结构安排也十分人性化，每个小节的末尾都有一个“知识点回顾”的小方框，非常方便我这种需要快速回顾重点的读者。我曾经带着它去参加一个行业研讨会，会后需要快速回顾一下某个特定的测试标准，翻到对应页码，相关内容和关键参数赫然在目，查找效率极高。可以说，它在实用性和可读性之间找到了一个绝佳的平衡点，既能满足资深人士对细节的苛求，也能温暖新入行者的探索之路。

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这本书的封面设计得非常吸引人，那种深邃的蓝色背景，配上简洁有力的白色字体，立刻就给人一种专业、严谨的感觉。我拿起它的时候，心里就对即将阅读的内容充满了期待。我特别喜欢它在内容编排上的逻辑性，从最基础的概念讲起，循序渐进地深入到复杂的系统级应用。比如，它对信号采集链中噪声和失真的分析，简直是教科书级别的详尽。作者并没有停留在理论的阐述，而是大量引用了实际工程案例，这对于我们这些一线工程师来说，无疑是最好的学习资料。我记得有一章专门讲了高频电路中的串扰问题，分析得非常透彻，给出的PCB布局建议也是非常实用的黄金法则。这本书的图表制作水平也值得称赞，那些频谱图、时域波形图都清晰明了，帮助我快速理解了抽象的物理现象。读完这部分内容，我感觉自己在面对复杂的嵌入式系统测试时，底气足了不少，很多以前觉得模糊的地方，现在都豁然开朗了。它不仅仅是一本工具书，更像是一位经验丰富的老工程师在手把手地指导你，让你少走很多弯路。

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我花了很长时间才啃完这本书的中间部分，坦白说，某些章节的数学推导确实有些难度，需要反复阅读和对照公式手册才能勉强跟上作者的思路。尤其是关于随机过程在数据分析中的应用那几节，如果读者没有扎实的概率论基础，可能会感到吃力。不过，正是这种深度，让这本书超越了一般性的入门读物，真正具备了可以作为工具书长期参考的价值。我尤其欣赏作者在讨论误差补偿算法时的那种匠心独运，他没有采用那种'黑箱'式的描述，而是清晰地展示了从建立数学模型到实现数字滤波的全过程。书中提到的那些自适应滤波器的比较分析，让我对不同算法的优缺点有了更直观的认识。记得有一次，我们在测试一个高速数据接口时遇到了一个难以定位的毛刺问题，回去翻阅这本书，对照着那张关于时序抖动分解的图表，我们很快就定位到了问题出在时钟恢复电路的环路带宽设计上。这本书的价值在于，它提供的不仅仅是'怎么做'，更是'为什么这样做'的底层逻辑。

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我个人对这本书的装帧设计有些微词，如果能使用更耐油墨、不易磨损的纸张就更好了。因为我在实验室使用时，难免会沾上一些灰尘或者手指油污，现在这本书的封面已经有些卷边了。但是，撇开这些外在因素不谈，其内容的深度和广度绝对是行业内的标杆。它对动态范围和有效位数（ENOB）的深入探讨，让我对数字转换器的性能评估有了一个全新的、更深入的理解。书中提到的一种基于FFT分析的抖动测量方法，其精确度远超我们现有仪器自带的标准流程，我们团队已经着手将这种方法集成到我们的QC流程中去验证其有效性。这本书没有回避那些有争议的技术点，反而敢于对行业内一些流传甚久的“经验之谈”进行严谨的科学论证和反驳，这种求真的态度非常值得尊敬。总的来说，这是一部集大成之作，值得所有从事相关领域工作的人珍藏和反复研读。

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说实话，这本书的后半部分在软件实现和编程接口方面的介绍，对我来说是最大的惊喜。我原本以为它会仅仅停留在硬件层面的分析，但作者却花费了相当大的篇幅来讨论如何通过编程语言来控制和自动化测量系统。尤其是对LabVIEW和Python在数据处理中的应用案例，写得非常细致，附带的伪代码和实际截图让我可以毫不费力地将理论转化为可执行的脚本。我尝试着自己搭建了一个简单的自动测试平台，就是完全参照书中的架构来设计的，整个过程异常顺畅，连配置仪器驱动程序的问题都得到了很好的指导。这部分内容极大地拓宽了我的工作视野，让我意识到现代的测量工作已经不再是孤立的硬件操作，而是高度集成的软硬结合。这本书成功地将传统的电气工程知识与现代的软件工程思维连接起来，这种跨学科的视野，在其他同类书籍中是很少见的，让人受益匪浅。

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