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第1章 概论1

1.1 引言1

1.2 航天器测控1

1.2.1 航天器测控的功能2

1.2.2 航天器测控的基本组成2

1.2.3 地面测控中心的基本功能4

1.2.4 航天器测控飞行控制技术现状5

1.3 国外航天器自主操作及其特征7

1.3.1 自主交会和接近操作演示8

1.3.2 自主捕获和对接操作演示9

1.3.3 在轨燃料传输操作10

1.3.4 在轨组件传送操作10

1.4 空间操作对测控系统的新需求11

1.4.1 适应空间操作自主性的完全自主测控能力11

1.4.2 全球覆盖的实时跟踪能力12

1.4.3 同时对多目标跟踪的能力12

1.4.4 对大机动空间目标的实时测控能力13

1.4.5 高精度测控能力13

1.4.6 对非合作目标和空间碎片的测控能力13

1.4.7 对应急事件响应能力14

1.4.8 自主测控系统能有效降低建设和维护成本14

1.4.9 训练、演示、演练的需求14

1.5 国外新一代测控系统的发展及其关键技术15

1.5.1 美国空间（天基）测控系统的实施路线16

1.5.2 相关的演示实验17

1.5.3 自主测控系统及其关键技术18

参考文献20

第2章 空间非合作目标超近距离测量22

2.1 引言22

2.2 空间非合作目标超近距离测量概念25

2.2.1 基本概念25

2.2.2 测量坐标系的定义25

2.3 空间非合作目标超近距离测量原理26

2.3.1 空间非合作目标超近距离测量条件26

2.3.2 空间非合作目标超近距离测量原理29

2.3.3 图像的特征提取与高正确率匹配方法29

2.3.4 特征点三维坐标测量误差分析32

2.3.5 双目图像的特定部位识别与测量的一般方法35

2.4 空间非合作目标超近距离测量方案与技术38

2.4.1 总体方案38

2.4.2 空间非合作目标超近距离测量的特殊性39

2.4.3 基于相位相关的特征部位识别40

2.4.4 基于特征库的特征点识别40

2.4.5 非合作目标空间慢旋自旋轴的测量45

2.5 空间非合作目标超近距离测量的实验验证及结果47

2.5.1 试验方案47

2.5.2 测量软件及算法48

2.5.3 试验装置49

2.5.4 测量定义49

2.5.5 试验过程52

2.5.6 距离测量试验及结果53

2.5.7 姿态测量试验及结果54

2.6 小结58

参考文献60

第3章 空间非合作目标远距离相对测量61

3.1 引言61

3.2 远距离非合作目标的探测特性62

3.2.1 基本概念62

3.2.2 可见光光度特性63

3.2.3 红外辐射特性72

3.2.4 雷达目标反射特性75

3.3 远距离非合作目标相对测量方案77

3.4 远距离非合作目标相对导航方法78

3.4.1 相对轨道动力学78

3.4.2 基于相对矢量测量的相对导航方法80

3.4.3 仅视线测量的相对导航方法81

3.4.4 改善系统可观性的可行方案90

3.4.5 数字仿真试验92

3.5 小结94

参考文献95

第4章 基于视觉的航天器相对运动确定方法97

4.1 引言97

4.2 视觉相对测量的理论基础98

4.2.1 视觉测量常用坐标系98

4.2.2 空间几何变换101

4.2.3 摄像机成像模型103

4.2.4 基于视觉的相对运动状态测量104

4.3 基于视觉的航天器相对运动静态确定107

4.3.1 基于Rodrigues参数的视觉相对运动静态确定107

4.3.2 基于修正Rodrigues参数的视觉相对运动静态确定114

4.3.3 仿真算例119

4.4 基于视觉的航天器相对运动动态估计124

4.4.1 基于Rodrigues参数和EKF的视觉相对运动动态估计124

4.4.2 基于修正Rodrigues参数和EKF的视觉相对运动动态估计133

4.4.3 仿真算例137

4.5 小结142

参考文献143

第5章 空间非合作目标的自主形态测量与识别146

5.1 引言146

5.2 空间非合作目标的光学特性147

5.2.1 空间目标光学特性分析方法147

5.2.2 空间目标光学特性分析148

5.3 空间非合作目标形态测量与识别原理153

5.3.1 系统组成153

5.3.2 工作原理154

5.4 空间目标形态测量157

5.4.1 形态测量方法157

5.4.2 形态测量流程160

5.4.3 形态测量性能分析160

5.5 空间目标形态识别161

5.5.1 形态识别方法161

5.5.2 形态识别流程170

5.5.3 形态测量与识别性能分析172

5.6 空间目标形态测量与识别中的图像处理技术174

5.6.1 全局阈值分割175

5.6.2 串行边界检测176

5.6.3 超分辨率图像重建177

5.7 空间目标形态测量与识别硬件实现178

5.7.1 总体设计178

5.7.2 接口设计180

5.7.3 信号处理硬件性能测试182

5.8 空间非合作目标自主形态测量与识别仿真演示系统183

5.8.1 仿真演示目的与原则183

5.8.2 仿真演示环境构建184

5.8.3 仿真演示结果分析190

5.9 小结191

参考文献192

第6章 空间非合作机动目标的自主跟踪197

6.1 引言197

6.1.1 问题描述197

6.1.2 研究现状200

6.1.3 应用背景202

6.2 轨道相对运动模型202

6.2.1 基本的轨道相对运动模型203

6.2.2 瞬态轨道相对运动模型206

6.2.3 基于密切参考轨道的瞬态相对运动模型208

6.3 基于解耦卡尔曼滤波的机动目标跟踪算法211

6.3.1 解耦卡尔曼滤波UEKF211

6.3.2 基于瞬态相对运动模型和UEKF的运动参数估计213

6.3.3 估计误差的结构分析与有界性218

6.3.4 仿真分析222

6.4 基于冗余自适应鲁棒滤波的机动目标跟踪算法226

6.4.1 问题的提出227

6.4.2 鲁棒滤波算法及其稳定的充分条件228

6.4.3 冗余自适应鲁棒卡尔曼滤波230

6.4.4 基于瞬态模型和RAREKF的跟踪算法流程237

6.4.5 仿真分析239

6.5 跟踪误差评价245

6.5.1 轨道模型的误差评价函数与缺陷246

6.5.2 一种改进的误差评价函数247

6.5.3 不同模型和滤波算法下的跟踪误差评价247

6.6 小结251

参考文献253

第7章 针对空间非合作机动目标的平台自主随动跟踪控制257

7.1 引言257

7.2 问题的提出259

7.3 基于密切参考轨道瞬态模型的RAREKF跟踪算法260

7.4 追踪平台的六自由度随动策略263

7.5 追踪平台的控制方法265

7.5.1 约束条件下的指标优化265

7.5.2 基于直接状态补偿的反馈控制270

7.5.3 动态最优滑模控制273

7.6 基于动态最优滑模的平台六自由度随动控制律279

7.6.1 平台的轨道随动控制279

7.6.2 平台的姿态随动控制280

7.7 仿真分析282

7.7.1 ORO和SRO模型的跟踪误差比较282

7.7.2 SMC、OSMC和DOSMC的性能比较284

7.8 平台随动的机动目标自主跟踪控制286

7.8.1 体系结构288

7.8.2 仿真示例1：编队卫星的整体机动控制289

7.8.3 仿真示例2：空间非合作机动目标的悬停控制295

7.9 小结301

参考文献303

第8章 航天器姿态快速机动与稳定控制305

8.1 引言305

8.1.1 航天器姿态快速机动与稳定的需求和意义305

8.1.2 国内外研究现状306

8.2 挠性复合航天器的模糊奇异摄动建模308

8.3 挠性复合航天器姿态快速机动与稳定自适应模糊控制314

8.3.1 模型跟踪基础314

8.3.2 不考虑控制矩阵摄动时的模糊自适应控制315

8.3.3 考虑控制矩阵摄动时的模糊自适应控制322

8.4 试验验证330

8.5 小结332

参考文献333

第9章 航天器的伴飞控制336

9.1 引言336

9.2 相对运动模型337

9.2.1 相对运动坐标系的定义338

9.2.2 适用于椭圆参考轨道的二阶相对运动方程340

9.2.3 以真近点角为自变量的相对运动状态转移矩阵342

9.3 长期伴飞轨道设计与控制345

9.3.1 长期伴飞轨道设计345

9.3.2 长期伴飞的初始化控制352

9.3.3 长期伴飞轨道控制355

9.4 接近与机动伴飞轨道设计与制导359

9.4.1 接近轨道设计与制导359

9.4.2 机动伴飞轨道设计与制导371

9.5 超近距离伴飞轨道和姿态联合控制373

9.5.1 伴飞轨道和姿态误差动力学模型373

9.5.2 超近距离伴飞轨道和姿态联合控制律设计382

9.5.3 超近距离伴飞期望轨道和姿态设计384

9.5.4 仿真计算与结果分析389

9.6 伴飞过程的相对导航394

9.6.1 相对导航敏感器394

9.6.2 采用EKF的相对导航滤波器设计402

9.6.3 采用UKF的相对导航滤波器设计406

9.7 仿真与实例研究411

9.7.1 相对导航仿真分析411

9.7.2 自主机动与伴飞仿真413

9.8 小结420

参考文献422

第10章 特定空间操作的自主控制426

10.1 引言426

10.2 问题的提出426

10.3 悬挂跟飞轨道的数学建模及可行性分析427

10.3.1 动力学模型427

10.3.2 悬挂跟飞的工程可行性分析433

10.4 以目标卫星为参考星的编队构形分析437

10.4.1 编队相对运动学437

10.4.2 对高轨卫星编队构形仿真442

10.4.3 对高轨卫星悬挂轨道编队构形仿真449

10.5 小结458

参考文献460

第11章 在轨加注逼近段的自主控制462

11.1 引言462

11.2 轨迹安全性分析463

11.2.1 轨道摄动及其模型偏差465

11.2.2 线性相对运动碰撞概率计算方法467

11.2.3 最大瞬时碰撞概率计算方法471

11.3 基于神经网络的PID控制473

11.3.1 基本原理473

11.3.2 控制器设计475

11.3.3 仿真及分析475

11.4 滑模变结构控制480

11.4.1 基本原理480

11.4.2 控制器设计482

11.4.3 仿真及分析484

11.5 小结487

参考文献489

第12章 空间飞网的操作控制493

12.1 引言493

12.2 飞网动力学及特性494

12.2.1 工作流程494

12.2.2 飞网动力学建模497

12.2.3 动力学仿真505

12.3 飞网工作过程对航天器的控制要求514

12.3.1 飞网对任务平台的姿轨控制要求514

12.3.2 飞网发射对任务平台的扰动515

12.3.3 飞网拖拽离轨轨道转移516

12.4 小结518

参考文献519

附录A 相关博士论文目录521

附录B 主要缩略语522

附录C 主要符号表525