第1章 绪论 1
1.1 背景、目的及意义 1
1.2 对偶四元数的应用现状 3
1.3 航天器运动模型研究现状 5
1.3.1 航天器一般运动的描述方法介绍 5
1.3.2 航天器动力学建模方法研究现状 6
1.4 航天器姿轨一体化建模研究现状 7
1.5 航天器控制方法研究现状 8
1.5.1 相对轨道控制算法 8
1.5.2 姿态控制算法 9
1.5.3 姿轨一体化控制算法 10
1.6 导航方法研究现状 11
1.6.1 基于特征点的位姿确定算法 12
1.6.2 基于特征线的位姿确定算法 13
1.6.3 视觉／惯性组合导航系统 13
1.7 非线性滤波方法研究现状 15
参考文献 17
第2章 航天器姿轨一体化相关理论基础 23
2.1 引言 23
2.2 数学理论基础 23
2.2.1 四元数 23
2.2.2 对偶数 24
2.2.3 对偶四元数 26
2.2.4 四元数与对偶四元数的对数运算 29
2.3 非线性控制理论基础 31
2.3.1 稳定性理论及预备知识 32
2.3.2 滑模变结构控制 34
2.3.3 有限时间控制 36
2.4 小结 37
参考文献 38
第3章 航天器姿轨一体化动力学建模与跟踪控制 40
3.1 引言 40
3.2 常用坐标系定义 41
3.3 对偶质量与对偶动量 41
3.4 航天器姿轨一体化动力学模型 43
3.4.1 单航天器姿轨一体化动力学模型 43
3.4.2 航天器质心相对姿轨一体化动力学模型 45
3.4.3 航天器非质心相对姿轨一体化动力学模型 48
3.5 单航天器姿轨一体化鲁棒跟踪控制 49
3.5.1 线性滑模变结构控制器设计 50
3.5.2 类PD鲁棒控制器设计 53
3.6 数学仿真及结果分析 57
3.7 小结 64
参考文献 65
第4章 航天器姿轨一体化有限时间相对控制方法 66
4.1 引言 66
4.2 终端滑模控制器设计 66
4.2.1 一般终端滑模控制算法 66
4.2.2 自适应终端滑模控制算法 71
4.3 快速滑模控制器 76
4.3.1 航天器类拉格朗日相对运动模型 76
4.3.2 快速滑模控制算法 78
4.3.3 不同滑模面的收敛时间分析 81
4.4 数学仿真及结果分析 83
4.5 小结 94
参考文献 95
第5章 基于偏差对偶四元数的滑模变结构控制 97
5.1 引言 97
5.2 基于偏差对偶四元数的相对姿轨一体化控制 97
5.2.1 控制律设计 97
5.2.2 仿真结果与分析 100
5.3 两种控制算法的比较 106
5.4 小结 108
参考文献 109
第6章 航天器姿轨一体化其他控制方法 110
6.1 引言 110
6.2 姿轨耦合有限时间控制 110
6.2.1 外部干扰和模型不确定性 111
6.2.2 有限时间控制器 112
6.3 姿轨耦合自适应控制 114
6.4 仿真分析 121
6.5 小结 127
参考文献 128
第7章 基于特征测量的航天器相对导航理论基础 129
7.1 引言 129
7.2 坐标系定义 129
7.3 基于多种几何特征的视觉测量模型 130
7.3.1 基于特征点的视觉测量模型 130
7.3.2 基于特征线的视觉测量模型 131
7.3.3 基于特征圆的视觉测量模型 133
7.4 基于特征测量的相对位姿估计算法 134
7.4.1 L—M迭代算法 135
7.4.2 EKF算法 139
7.4.3 UKF算法 142
7.5 数学仿真及结果分析 144
7.5.1 基于单一特征的相对视觉导航 145
7.5.2 基于多种特征的相对视觉导航 155
7.5.3 不同特征配置对估计精度的影响 158
7.6 小结 160
参考文献 161
第8章 基于特征线的单目视觉相对位姿确定算法 163
8.1 引言 163
8.2 相对导航坐标系定义及摄像机模型 163
8.2.1 坐标系定义 163
8.2.2 视觉相机投影模型 164
8.3 基于特征直线的相对位姿确定算法 164
8.3.1 基本原理 164
8.3.2 位姿转移对偶四元数估计 165
8.3.3 估计方程线性化迭代算法 167
8.4 数学仿真及结果分析 169
8.5 小结 175
参考文献 176
第9章 多自然特征信息融合的相对位姿确定算法 177
9.1 引言 177
9.2 相对导航坐标系定义及摄像机模型 177
9.2.1 坐标系定义 177
9.2.2 视觉相机投影模型 177
9.3 多自然特征描述方法 178
9.3.1 特征直线的对偶数描述 178
9.3.2 特征点的对偶数描述 179
9.4 基于特征点的相对位姿确定算法 180
9.4.1 基本原理 180
9.4.2 位姿转移对偶四元数估计 181
9.4.3 估计方程线性化迭代算法 182
9.5 基于特征点、线融合的相对位姿确定算法 184
9.5.1 基本原理 184
9.5.2 点线融合位姿确定迭代算法 185
9.6 数学仿真及结果分析 187
9.6.1 基于特征点的相对位姿参数确定算法验证 187
9.6.2 基于特征点、线融合的相对位姿参数确定算法验证 191
9.7 小结 194
参考文献 195
第10章 基于对偶四元数的相对导航EKF算法 196
10.1 引言 196
10.2 扩展卡尔曼滤波器基本原理 196
10.3 视觉导航扩展卡尔曼滤波算法 199
10.3.1 相对运动状态方程的建立 200
10.3.2 相对运动测量方程的建立 208
10.4 视觉／惯性器件组合导航扩展卡尔曼滤波算法 209
10.4.1 相对运动状态方程的建立 209
10.4.2 相对运动测量方程的建立 211
10.5 数学仿真及结果分析 212
10.5.1 轨迹发生器 212
10.5.2 视觉导航扩展卡尔曼滤波算法仿真条件、结果及分析 212
10.5.3 视觉／惯性器件组合导航仿真条件、结果及分析 219
10.5.4 基于视觉EKF算法与视觉／惯性器件组合导航仿真结果比较 223
10.6 小结 224
参考文献 225
第11章 航天器相对导航鲁棒滤波方法 226
11.1 引言 226
11.2 基于强跟踪滤波的相对导航方法 226
11.2.1 传统强跟踪滤波器 227
11.2.2 改进强跟踪滤波器 228
11.2.3 滤波器稳定性分析 229
11.2.4 数学仿真及结果分析 233
11.3 基于鲁棒无迹卡尔曼滤波的相对导航方法 237
11.3.1 单比例因子鲁棒无迹卡尔曼滤波 237
11.3.2 多比例因子鲁棒无迹卡尔曼滤波 238
11.3.3 数学仿真及结果分析 239
11.4 小结 250
参考文献 251