空间交会对接测量技术及工程应用PDF电子书下载

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Qk 448

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