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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UEKF 211

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