目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 研究背景及意義 2
1.2.1 研究背景 2
1.2.2 研究意義 3
1.3 火星探測器進(jìn)入、下降與著陸過程 4
1.4 EDL各階段研究現(xiàn)狀及存在問題 11
1.4.1 進(jìn)入段研究現(xiàn)狀和存在問題 11
1.4.2 傘降段研究現(xiàn)狀和存在問題 18
1.4.3 動(dòng)力下降段研究現(xiàn)狀和存在問題 22
1.4.4 著陸段研究現(xiàn)狀和存在問題 22
1.5 本書結(jié)構(gòu) 23
第2章 火星探測器EDL過程動(dòng)力學(xué)模型 25
2.1 引言 25
2.2 EDL過程坐標(biāo)系、旋轉(zhuǎn)矩陣 25
2.3 火星基本環(huán)境參數(shù) 29
2.4 “好奇號(hào)”探測器模型 30
2.4.1 進(jìn)入段三自由度動(dòng)力學(xué)模型 32
2.4.2 進(jìn)入段六自由度動(dòng)力學(xué)模型 35
2.5 進(jìn)入段相關(guān)參數(shù) 36
2.6 進(jìn)入段導(dǎo)航測量模型 37
2.6.1 IMU測量模型 38
2.6.2 火星軌道器觀測模型 39
2.6.3 火星表面信標(biāo)測量模型 41
2.7 傘降段開傘條件的確定 42
2.8 動(dòng)力下降段模型 43
2.9 著陸段模型 45
2.10 本章總結(jié) 45
第3章 火星探測器進(jìn)入段通信黑障問題研究 46
3.1 通信黑障問題研究 46
3.1.1 黑障形成過程 46
3.1.2 黑障成因分析 47
3.1.3 黑障區(qū)間估計(jì) 48
3.1.4 通信黑障仿真 50
3.2 無線衰落信道下探測器導(dǎo)航濾波算法 52
3.2.1 進(jìn)入段無線衰落信道統(tǒng)計(jì)特性 52
3.2.2 無線空間通信信道建模 53
3.2.3 等離子體信道建模 54
3.2.4 通信間歇觀測 55
3.3 信號(hào)衰落下進(jìn)入段導(dǎo)航算法 56
3.4 無線衰落條件下導(dǎo)航濾波仿真 58
3.4.1 仿真初始條件 58
3.4.2 IMU和無線電組合導(dǎo)航 61
3.5 本章總結(jié) 63
第4章 火星探測器進(jìn)入段導(dǎo)航策略問題研究 64
4.1 觀測模型 64
4.2 進(jìn)入段導(dǎo)航策略仿真 64
4.3 進(jìn)入段組合導(dǎo)航方案的可觀性分析 69
4.3.1 基于觀測矩陣條件數(shù)的可觀性分析 70
4.3.2 狀態(tài)可估計(jì)性分析 71
4.3.3 導(dǎo)航方案的數(shù)值仿真和分析 71
4.4 進(jìn)入段不確定參數(shù)下的弱敏感導(dǎo)航濾波算法 76
4.4.1 弱敏感濾波算法設(shè)計(jì) 77
4.4.2 數(shù)值仿真和分析 79
4.5 迸入段不確定參數(shù)和未知擾動(dòng)下的新型自適應(yīng)插值濾波算法 85
4.5.1 普通的插值濾波算法 86
4.5.2 新型的自適應(yīng)插值濾波算法 89
4.5.3 火星進(jìn)入導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)值仿真和分析 92
4.5.4 緊耦合非線性隨機(jī)系統(tǒng)數(shù)值仿真和分析 96
4.6 進(jìn)入段狀態(tài)模型偏差和測量異常值下的自適應(yīng)胡貝爾插值濾波算法 98
4.6.1 胡貝爾插值濾波算法和自適應(yīng)胡貝爾插值濾波算法的引出過程 99
4.6.2 胡貝爾插值濾波算法和自適應(yīng)胡貝爾插值濾波算法的執(zhí)行過程 102
4.6.3 數(shù)值仿真和分析 105
4.7 本章總結(jié) 108
第5章 火星探測器大氣進(jìn)入段制導(dǎo)與控制問題研究 110
5.1 基于自抗擾的阻力跟蹤制導(dǎo)控制 110
5.1.1 自抗擾控制技術(shù) 111
5.1.2 標(biāo)稱軌跡和控制律的設(shè)計(jì) 115
5.1.3 自抗擾跟蹤控制律設(shè)計(jì) 118
5.1.4 仿真結(jié)果和分析 119
5.2 基于滑模和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的進(jìn)入段軌跡跟蹤控制 123
5.2.1 問題描述 123
5.2.2 主要結(jié)果 124
5.2.3 仿真與分析 127
5.3 基于高階滑模和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的進(jìn)入段軌跡跟蹤控制 135
5.3.1 問題描述 135
5.3.2 主要結(jié)果 137
5.3.3 仿真與分析 141
5.4 基于非奇異全階滑模和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的進(jìn)入段軌跡跟蹤控制 149
5.4.1 問題描述 150
5.4.2 主要結(jié)果 150
5.4.3 仿真與分析 155
5.5 基于預(yù)測校正算法的進(jìn)入段制導(dǎo)與控制問題研究 164
5.5.1 縱向預(yù)測校正算法 165
5.5.2 航向調(diào)整 168
5.5.3 改進(jìn)的預(yù)測校正算法 169
5.5.4 仿真結(jié)果 169
5.6 本章總結(jié) 173
第6章 火星探測器傘降段建模與穩(wěn)定性問題研究 175
6.1 附加質(zhì)量問題研究 175
6.1.1 流體運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 175
6.1.2 物傘系統(tǒng)在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)學(xué)方程 176
6.1.3 物體在無窮域中適動(dòng)時(shí)的“附加質(zhì)量” 177
6.1.4 物傘系統(tǒng)“附加質(zhì)量”矩陣研究 181
6.2 物傘系統(tǒng)開傘階段研究 184
6.2.1 降落傘充氣過程的分析與建模 184
6.2.2 仿真驗(yàn)證 188
6.3 物傘系統(tǒng)六自由度數(shù)學(xué)模型和穩(wěn)定性分析 191
6.3.1 物傘系統(tǒng)六自由數(shù)學(xué)模型的建立與分析 191
6.3.2 物傘系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 194
6.3.3 系統(tǒng)仿真 198
6.4 本章總結(jié) 201
第7章 火星探測器動(dòng)力下降段反饋制導(dǎo)問題研究 203
7.1 動(dòng)力下降段模型和約束 204
7.2 ZEM/ZEV 204
7.3 改進(jìn)的ZEM/ZEV最優(yōu)反饋制導(dǎo)律設(shè)計(jì) 205
7.4 蒙特卡羅仿真 208
7.5 本章總結(jié) 211
第8章 火星探測器著陸段視覺導(dǎo)航問題研究 212
8.1 圖像預(yù)處理 212
8.1.1 噪聲處理 213
8.1.2 邊緣檢測 213
8.1.3 霍夫變換 214
8.1.4 隕石坑區(qū)域提取 215
8.2 圖像特征提取與匹配算法 216
8.2.1 SIFT算法 216
8.2.2 ASIFT算法 222
8.3 基于隕石坑擬合橢圓的著陸器位姿估計(jì)算法 224
8.3.1 坐標(biāo)系確立 224
8.3.2 運(yùn)動(dòng)約束方程建立 225
8.3.3 位姿估計(jì) 226
8.3.4 仿真及結(jié)果分析 227
8.4 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的火星探測器路徑規(guī)劃算法 233
8.4.1 問題描述 233
8.4.2 火星圖像預(yù)處理 234
8.4.3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 235
8.4.4 訓(xùn)練數(shù)據(jù)與結(jié)果 236
8.5 本章總結(jié) 237
第9章 火星探測器EDL過程Unity3D仿真實(shí)現(xiàn) 238
9.1 虛擬物體的建模 238
9.1.1 火星探測器的模型 238
9.1.2 火星降落傘的模型 240
9.1.3 火星大氣環(huán)境模型 241
9.2 進(jìn)入段仿真平臺(tái)的搭建 241
9.2.1 ADRC制導(dǎo)方法的仿真實(shí)現(xiàn) 242
9.2.2 UDP傳輸接口設(shè)計(jì) 242
9.2.3 Unity3D界面設(shè)計(jì) 243
9.3 傘降段仿真平臺(tái)的搭建 243
9.3.1 開傘過程的導(dǎo)入設(shè)計(jì) 243
9.3.2 穩(wěn)定下降段界面設(shè)計(jì)與程序調(diào)試 243
9.4 動(dòng)力下降段與著陸段仿真平臺(tái)的搭建 244
9.5 EDL過程仿真平臺(tái)搭建 245
9.6 本章總結(jié) 246
參考文獻(xiàn) 247