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第1章　概论1

1.1　测量技术在空间交会对接中的作用1

目录1

1.1.1　空间交会对接系统的基本组成2

1.1.2　空间交会对接过程及阶段的划分3

1.2　国外交会对接测量技术概况及发展趋势5

1.2.1　美国交会对接测量技术5

1.2.2　苏联／俄罗斯交会对接测量技术6

1.2.3　欧洲空间局交会对接测量技术7

1.2.4　日本交会对接测量技术8

1.2.5　交会对接测量技术发展趋势9

1.3　测量过程及其特点13

1.3.1　测量过程13

1.3.2　测量系统特点14

1.4.2　测量系统研究15

1.5.1　测量系统配置原则15

1.5　船载相对测量系统体制研究15

1.4.1　测量传感器研究15

1.4　测量技术研究主要内容15

1.5.2　对接的初始条件16

1.5.3　测量系统的主要技术要求16

1.5.4　测量体制17

1.5.5　测量体制分析19

第2章　空间交会对接控制原理及对测量的要求21

2.1　空间交会对接控制基础21

2.1.1　交会对接的动力学问题21

2.1.2　交会对接工程设计要点23

2.1.3　交会变轨的一般方法26

2.2　描述两航天器相对运动的相对坐标系36

2.2.1　旋转直角相对坐标系O1XBYBZB（轨道相对坐标系）37

2.2.2　非旋转直角相对坐标系O1XHYHZH（惯性相对坐标系）37

2.2.3 瞄准线直角相对坐标系O1XAYAZA（射线直角坐标系）37

2.3　两航天器质心的相对运动方程40

2.3.1　两航天器质心运动方程的一般数学描述40

2.3.2　在旋转相对坐标系中的运动方程40

2.3.3　在非旋转（惯性）直角坐标系中的运动方程45

2.3.4　瞄准线（射线）相对坐标系中的运动方程46

2.3.5　两航天器质心相对运动线性化方程的通式49

2.4 自由轨道法接近控制50

2.4.1　船载交会接近控制系统方案50

2.4.2 自由轨道法接近控制概念52

2.4.3　控制数学模型与控制程序53

2.4.4 自由轨道控制的质量特性55

2.5　瞄准线法接近控制58

2.5.1　控制原理与控制数学模型58

2.5.2　惯性平行接近法的控制规律60

2.5.3　瞄准线接近控制的质量特征64

2.5.4　瞄准线接近法的校正控制66

2.5.5　瞄准线接近法的硬件构成方案68

2.6　飞船控制系统设计69

2.6.1　飞船完成交会对接任务各飞行段的工作模式69

2.6.2　飞船与空间站交会对接的轨道控制71

2.6.3　飞船的GNC系统74

2.7.1　相对运动参数测量要求81

2.7.2　测量设备温湿度环境要求81

2.7　交会对接控制对相对运动测量设备的要求81

2.7.3　测量设备力学环境要求82

2.7.4　测量设备其他环境要求82

2.7.5　测量设备电磁兼容设计要求84

第3章　交会雷达测量技术87

3.1　概述87

3.1.1　美国Ku波段脉冲多普勒雷达88

3.1.2　无人航天器上的X波段固态雷达88

3.1.3　KYPC系统88

3.2　基本雷达系统89

3.2.1　发射机90

3.2.2　接收机96

3.2.3　天线111

3.2.4　数字信号处理器118

3.3　雷达方程123

3.3.1　雷达距离方程123

3.3.2　有应答机的雷达方程125

3.4　距离和速度的测量126

3.4.1　调频法测量127

3.4.2　脉冲法测量130

3.4.3　脉冲压缩法测量134

3.5　角度的测量140

3.5.1　相位法测角140

3.5.2　振幅法测角142

3.5.3　比幅单脉冲法测角142

3.6　天线搜索扫描交叠最佳的选择144

3.7　可能采用的交会对接电波雷达型式145

3.7.1　可能的雷达型式145

3.7.2　脉冲雷达147

3.7.3　脉冲多普勒雷达152

3.8　雷达测量精度分析162

3.8.1　测距精度分析162

3.8.2　测角精度分析164

3.8.3　测速精度分析168

第4章　激光交会雷达测量技术170

4.1　概述170

4.2.2　激光器种类及特点172

4.2.1　激光雷达的特点172

4.2　激光雷达探测技术172

4.2.3　激光的光束特性179

4.2.4　激光调制技术181

4.2.5　激光回波探测技术181

4.2.6　背景辐射186

4.3　激光交会雷达测量原理及方法188

4.3.1　测量基本要求188

4.3.2　距离测量原理189

4.3.3　速度测量原理192

4.3.4　角度测量方法193

4.4　激光交会雷达的系统组成及工作原理195

4.4.1　激光雷达的主要类型195

4.4.2　激光交会雷达系统组成196

4.4.3　激光发射机197

4.4.4　接收机202

4.4.5　光学系统204

4.4.6　终端信息处理206

4.4.7　光学扫描器208

4.4.8　合作目标209

4.4.9　激光雷达距离方程212

4.4.10　探测概率和虚警率213

4.5　激光交会雷达系统方案214

4.5.1　激光雷达体制分析214

4.5.2　激光交会雷达测量方法比较215

4.5.3　几种典型的激光交会雷达217

4.5.4　C02相干激光雷达226

4.6.1　主要关键技术227

4.6　激光交会雷达主要性能分析227

4.6.2　多合作目标对测距精度的影响228

4.6.3　二维反射扫描的角度非线性230

4.6.4　激光交会雷达角跟踪系统性能分析232

4.7　数据处理与仿真技术234

4.7.1　平均法234

4.7.2　最小二乘法234

4.7.3　α-β平滑滤波236

4.8　应用前景238

5.1.1　卫星导航技术概况239

5.1　概述239

第5章　卫星导航测量技术239

5.1.2　GPS在空间交会对接中的作用240

5.1.3　GPS在空间交会对接中应用的特点241

5.2　GPS测量的技术基础242

5.2.1 GPS组成242

5.2.2　GPS测量的坐标系统244

5.2.3　GPS测量的时间系统247

5.2.4　卫星运动的基础知识247

5.2.5　GPS的信号和导航电文250

5.2.6　GPS定位的基本观测量253

5.3　GPS测量的绝对定位方法257

5.3.1　GPS卫星位置与速度的确定258

5.3.2　GPS单站绝对定位的位置求解方法261

5.3.3　GPS载体运动速度绝对测量方法265

5.4　GPS测量的相对定位方法266

5.4.1　测码伪距差分相对定位法266

5.4.2　测相伪距差分相对定位法267

5.4.3　相位差分观测值及其观测方程268

5.4.4　双差观测方程的组成与求解275

5.5 GPS在RVD中的应用277

5.5.1　GPS测量的主要技术要求277

5.5.2　GPS卫星的可见性分析278

5.5.3　交会对接系统中几种可行的GPS测量方法279

5.5.4　GPS接收机的一般组成283

5.5.5　选用GPS接收机时必须考虑的因素288

5.6　精度分析及关键技术289

5.6.1　GPS测量误差及修正289

5.6.2　GPS差分方法消除误差296

5.6.3　GPS定位精度表示297

5.6.4　关键技术299

第6章　CCD光电成像测量技术302

6.1　概述302

6.1.1　CCD光电成像测量系统的一般组成302

6.1.2　CCD光电成像测量技术在RVD中应用的特点303

6.2　CCD光电成像测量的技术基础305

6.2.1　测量信号流程305

6.2.2　从三维景物到二维图像的变换原理306

6.2.3　光学镜头的主要特性309

6.2.4　CCD图像敏感器的工作原理及其特性311

6.2.5　由像到物逆变换的不确定性313

6.2.6　合作运动目标测量中视频图像处理的特点314

6.2.7　图像分割315

6.2.8　特征点提取及中心定位317

6.2.9　特征点匹配318

6.3.1　刚体运动特性319

6.3　刚体的运动特性及空间坐标变换319

6.3.2　坐标系平移特性320

6.3.3　坐标系旋转特性320

6.4　CCD光电成像测量涉及的坐标系及坐标转换321

6.4.1　追踪航天器上的坐标系及坐标转换322

6.4.2 目标航天器上的坐标系及转换关系326

6.4.3　两航天器间的坐标系及其转换328

6.5　视觉信息处理系统与功能模块329

6.5.1　视觉信息加工的基本要素329

6.5.2　功能模块与系统330

6.5.4　CCD光电成像测量系统的模块化结构331

6.5.3　视觉信息处理系统的主体框架331

6.6　光电成像测量系统工程设计要点332

6.6.1　主要技术指标的分析论证332

6.6.2　工程设计的要点333

6.6.3　工程设计的主要原则334

6.6.4　工程设计程序335

6.6.5　航天光电产品设计中常用的一些经验数据335

6.7　CCD光电成像测量的工作模式338

6.7.1　双目工作模式339

6.7.2　双目工作模式中目标空间位置的一般计算方法340

6.7.3　双目测量系统的模块图及工作流程343

6.7.4　单目工作模式及复合工作模式344

6.8　CCD摄像机及量化装置347

6.8.1　CCD摄像机视场与作用距离347

6.8.2　摄像机视场与CCD光敏面尺寸348

6.8.3　CCD摄像机的空间变换关系349

6.8.4　CCD摄像机的成像尺寸与测量精度350

6.8.5　CCD摄像机的输出方式及数字化装置351

6.9.1　信息处理器的设计流程353

6.9　信息处理器353

6.9.2　DSP器件的结构和工作原理354

6.9.3　通用DSP类型及选择要点356

6.10　CCD光电测量系统光源与图像对比度357

6.10.1　发光二极管（LED）357

6.10.2　半导体激光二极管（LD）360

6.10.3 目标航天器所处的空间背景362

6.10.5　光源的光谱分布与图像对比度364

6.10.6　CCD光电测量系统对光源的基本要求364

6.10.4 目标特征点的综合背景364

6.11　杂散光对CCD成像质量的影响365

6.11.1　阳光对CCD摄像机成像质量的影响365

6.11.2　漫反射效应对CCD摄像机成像质量的影响366

6.11.3　抑制杂散光的主要措施366

6.12　成像测量系统误差分析及仿真试验367

6.12.1　测量过程中目标像点的定位误差368

6.12.2　成像系统几何畸变引起的误差371

6.12.3　提高系统分辨率以降低测量误差372

6.12.5　仿真试验方法373

6.12.4　仿真试验的目的和要求373

6.12.6　仿真试验支撑技术375

第7章　多传感器测量的信息综合处理378

7.1　概述378

7.1.1　信息综合处理在RVD多传感器测量中的作用378

7.1.2　RVD多传感器测量中信息综合处理器的组成及特点379

7.2　常用的滤波估计方法380

7.2.1　卡尔曼滤波（KF）380

7.2.2　推广卡尔曼滤波（EKF）386

7.2.3　滤波发散及其克服方法392

7.3　RVD过程中多传感器量测数据预处理技术394

7.3.1　数据压缩技术394

7.3.2　量测数据中野值剔除技术396

7.3.3　多传感器数据同步技术397

7.4　交会对接中对目标跟踪的自适应滤波400

7.4.1　坐标系设定400

7.4.2　坐标系转换401

7.4.3　交会对接相对运动目标模型404

7.4.4　交会对接中机动目标的状态方程408

7.4.5　状态方程的线性化和离散化409

7.4.6　观测方程及其线性化414

7.4.7　自适应滤波算法418

7.5　交会对接中测量传感器的数据融合423

7.5.1　参与融合的各传感器坐标系约定423

7.5.2　不同结构形式的卡尔曼滤波融合424

7.5.3　各种结构卡尔曼滤波融合的性能比较431

7.5.4　多传感器卡尔曼滤波融合的统一描述433

7.6　交会对接中测量传感器的故障诊断及处理434

7.6.1　故障诊断方法435

7.6.2　残差X2分布检测法435

7.6.3　状态x2分布检测法438

7.7　交会对接中多传感器信息综合处理技术的仿真分析438

7.7.1　仿真分析的应用环境及参数设定439

7.7.2　交会对接中多传感器信息综合处理结构框图442

7.7.3　交会雷达测量信息滤波处理的仿真分析444

附录7A　系统过程噪声Wk的协方差矩阵Qk448

附录7B　证明距离函数Dk+1服从自由度为m的x2分布451

附录7C　x2分布表452

8.1　可靠性与安全性设计的相互关系453

第8章　可靠性与安全性设计453

8.2　可靠性设计项目与准则454

8.3　可靠性模型、可靠性分配与可靠性预计455

8.3.1　可靠性模型的建立455

8.3.2　可靠性指标分配457

8.3.3　可靠性预计458

8.4　可靠性定性设计459

8.4.3　故障树分析（FTA）460

8.4.1　可靠性定性设计准则的制定460

8.4.2　元器件的选择与控制460

8.5　软件可靠性设计461

8.5.1　软件可靠性的重要性461

8.5.2　软件工程化设计方法461

8.6　可靠性增长和可靠性评估463

8.6.1　可靠性增长和增长试验463

8.6.2　试验结果的可靠性评估方法466

8.8.1　故障模式、影响及危害性分析（FMECA）467

8.8　安全性设计的FMECA及HA方法467

8.7　安全性设计概念467

8.8.2　危险分析（HA）469

8.9　PRA安全性设计法471

8.10　安全性设计准则471

8.10.1　通用安全性设计准则471

8.10.2　载人系统安全性设计准则472

8.11.3　故障隔离设计474

8.11.2　故障容限设计474

8.11.1　降低危险设计474

8.11　航天员安全性设计的主要内容474

8.11.4　防误操作设计475

8.11.5　危险控制475

8.11.6　应急状态设计475

8.11.7　危险状态检测、报警和安全防护设计475

8.11.8　冗余设计与管理476

8.11.9　航天员环境设计476

8.11.10　航天员人工控制设计476

参考文献477