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出版者:国防工业出版社

作者:李荣福等编

出品人:

页数:203

译者:

出版时间:2003-1

价格:21.0

装帧:精装

isbn号码:9787118029598

丛书系列:

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天文导航与深空探测：基于脉冲星的自主定位技术研究 摘要 随着人类对深空探测需求的不断增长，传统的基于地面站的测控和导航方式面临着通信延迟大、覆盖范围受限以及精度不足等瓶颈。为了实现高自主性、高精度的深空探测器定位，基于脉冲星的自主导航技术已成为国际前沿研究热点。本书深入探讨了脉冲星作为天然宇宙灯塔在深空自主定位中的应用潜力，系统梳理了脉冲星信号的物理特性、探测方法以及导航定位算法。内容涵盖了脉冲星辐射机制、X射线和射电脉冲星信号的接收与处理技术，重点阐述了基于脉冲星到达时间测量（Time of Arrival, TOA）的相对论性定位模型、误差源分析与校正技术，以及与惯性导航系统（INS）的融合导航策略。本书旨在为从事深空探测、航天动力学、信号处理和自主导航领域的科研人员和工程师提供一本全面、深入的参考资料。 --- 第一章 绪论：深空导航的挑战与脉冲星的机遇 1.1 现代深空探测任务的导航需求 深空任务，如行星际轨道机动、小行星采样返回以及地外天体着陆，对导航系统的精度、自主性和实时性提出了前所未有的要求。现役的深空网络（DSN）虽然可靠，但受限于地球与探测器之间的距离，信号往返延迟可达数小时，使得实时轨道修正和快速故障响应变得极其困难。此外，随着探测目标向更远区域（如柯伊伯带乃至星际空间）拓展，地面测控的信噪比急剧下降，导航精度难以保证。自主导航成为深空探索的必然趋势。 1.2 传统自主导航技术回顾与局限性 本章回顾了目前正在发展的其他自主导航技术，包括基于太阳系内自然信标（如太阳、行星、恒星）的导航方法。例如，利用太阳帆的推力导航、基于视觉天体导航（Star Trackers）的相对定位等。然而，这些方法大多依赖于特定天体的可见性、需要预先精确建模的动力学环境，或者在需要高精度三维定位时，其性能会受到极大限制。 1.3 脉冲星：宇宙级的“导航信标” 脉冲星，作为快速旋转的中子星，以极高的周期性和稳定性发射出周期性的电磁辐射脉冲。其辐射周期（即自转周期）的稳定性甚至优于地球上最精确的原子钟，使其成为理想的天然时标和空间参考点。脉冲星导航（Pulsar Navigation, PNAV）正是利用这些稳定的信号源，实现探测器在深空中的绝对定位和定向。 1.4 本书的研究目标与结构安排 本书旨在系统化地介绍脉冲星导航技术，从基础物理到实际工程应用。我们将重点探讨如何将脉冲星发出的信号转化为可用于导航的参数，并构建可靠的滤波和估计框架。 --- 第二章 脉冲星的基础物理与信号特性 2.1 中子星的形成与结构 本章首先从天体物理角度介绍中子星的形成过程，包括大质量恒星的超新星爆发，以及其内部的超高密度物质状态。重点分析了脉冲星的磁场结构和自转动力学，阐述了光束扫过地球时形成周期性脉冲的“灯塔效应”。 2.2 脉冲星的计时学：周期性与稳定性 精确的计时是脉冲星导航的前提。本节详细分析了脉冲星自转周期的演化模型，包括周期性衰减、引力波辐射导致的微小扰动以及偶极磁场衰减的影响。引入了脉冲星计时阵列（Pulsar Timing Array, PTA）的概念，用于监测和修正长期的计时残差。 2.3 脉冲星的电磁辐射频谱与类型 脉冲星的辐射覆盖从射电波到X射线和伽马射线波段。本书着重分析了适用于深空导航的两种主要类型： 1. 射电脉冲星（Radio Pulsars）： 信号强度高，易于地面接收，但易受星际介质（ISM）的色散效应影响。 2. X射线脉冲星（X-ray Pulsars）： 信号受星际介质干扰小，穿透力强，是未来深空探测任务的首选。本章详细讨论了X射线脉冲星的能谱特性和光变曲线（Pulse Profile）。 2.4 星际介质对信号传播的影响 星际等离子体对射电信号的传播会引入延迟（色散效应）。本节详细推导了色散时延模型，并介绍了利用多频率观测数据解耦和消除色散延迟的关键技术，这对提高定位精度至关重要。 --- 第三章 脉冲星信号的探测与数据处理 3.1 X射线脉冲星的探测器设计 深空探测器必须搭载专用的X射线脉冲星计数器（PXC）。本章讨论了PXC的关键技术指标，包括有效面积、能量分辨率和时间分辨率。重点介绍了高时间分辨率下的事件计数模式（Event Mode）数据采集流程。 3.2 脉冲星信号的实时识别与锁定 在复杂背景噪声和探测器自身的运动干扰下，实时准确地识别出特定脉冲星的信号是导航的第一步。本节介绍了基于快速傅里叶变换（FFT）的周期性搜索算法，以及改进的相位锁定循环（Phase-Locked Loop, PLL）技术，用于在轨维持对脉冲星周期的跟踪。 3.3 脉冲轮廓的精确对齐与时间标记 导航的精度依赖于对脉冲峰值时间的精确测量。本章详细比较了模板匹配法（Template Matching）和互相关法在确定脉冲上升沿时间上的优劣，并引入了贝叶斯框架下的最优估计方法来确定脉冲到达时间（TOA）。 3.4 探测器内部时钟对准与参考系建立 深空探测器的本地时钟（如振荡器）会漂移，因此必须将其对准国际标准时间（UTC）或天文时间标准。本节探讨了如何利用已知的脉冲星计时残差数据，对探测器内部的本地时间进行实时校准，建立统一的参考系。 --- 第四章 脉冲星相对论性定位模型 4.1 基础几何模型与相对论效应 脉冲星导航的核心是利用信号传播时间来确定探测器到脉冲星的距离。由于跨越天文尺度的距离和高速运动，定位模型必须严格纳入广义相对论效应。 4.2 脉冲星测距方程的建立 本章推导了基于观测时间和脉冲星自身参数的探测器位置方程。方程中必须包含以下关键修正项： 1. 地球质心运动修正： 考虑地球绕太阳公转的修正。 2. 太阳光线弯曲修正（Shapiro Delay）： 太阳引力场导致光线偏折引起的信号传播时间增加。 3. 探测器自身速度和加速度修正： 考虑相对论性多普勒频移。 4.3 相对定位与绝对定位的区分 脉冲星导航通常采用相对定位策略，即通过测量多颗脉冲星的信号到达时间差来确定探测器相对于已知脉冲星位置的相对位移。本节分析了这种策略如何有效消除部分系统误差，并建立了基于时间差的差分定位方程。 4.4 导航精度依赖的因子分析 定位误差主要来源于：脉冲星自身周期的不确定性、测量TOA的精度、脉冲星位置的天体参考系误差，以及模型修正的残余误差。本章利用误差传播定律，量化了这些因素对最终定位精度的贡献，并提出了提高精度所需的最小脉冲星数量和观测时间。 --- 第五章 导航滤波与状态估计 5.1 动力学模型与观测模型构建 导航系统的核心在于状态估计。本章首先建立探测器的动力学模型，包括主要引力摄动（太阳、行星）和微小推力项。随后，构建将脉冲星观测数据（TOA或$Delta$TOA）映射到探测器状态向量的非线性观测模型。 5.2 扩展卡尔曼滤波（EKF）在PNAV中的应用 由于脉冲星观测方程的强非线性，EKF是早期应用的主要工具。本节详细阐述了如何通过雅可比矩阵线性化，在EKF框架下进行迭代状态估计。特别讨论了如何处理脉冲星信号“丢失”或信噪比过低时的观测数据判决问题。 5.3 无迹卡尔曼滤波（UKF）与粒子滤波（PF）的性能对比 针对EKF线性化引入的误差，本章深入研究了UKF（基于Sigma点采样）和PF（基于蒙特卡洛模拟）在处理高非线性系统中的表现。通过仿真案例对比了三者在收敛速度和估计精度上的差异，并给出了在不同任务阶段的最佳滤波选择建议。 5.4 导航系统的融合架构：PNAV与INS的协同 深空任务的鲁棒性要求导航系统必须具备冗余和互补性。本章重点介绍了脉冲星导航系统（PNAV）与惯性导航系统（INS）的紧耦合或松耦合融合策略。INS提供高频、短时间的姿态和位置增量，而PNAV提供长期、绝对的轨道修正。分析了如何设计融合滤波器，以最大化两者优势，克服INS的漂移误差。 --- 第六章 脉冲星导航系统的地面测试与在轨验证 6.1 脉冲星导航的地面模拟测试平台 在进行昂贵的太空实验之前，构建高保真度的地面模拟平台至关重要。本章描述了如何利用高精度时钟和地面信号发生器，模拟不同距离、不同信噪比下的脉冲星信号，用于测试导航算法的健壮性。 6.2 任务级误差预算与容错设计 精确的误差预算是任务成功的基础。本节对导航系统从信号捕获到最终定位的完整流程进行了系统性的误差分配。同时，讨论了如何通过冗余脉冲星观测和多种导航模式切换，来设计对单星失效或瞬间干扰具有容错能力的系统。 6.3 历史深空任务的脉冲星导航实验回顾 回顾了NASA和ESA在早期深空探测任务中进行的初步脉冲星信号捕获实验，例如“探索者16号”等任务的验证尝试，总结了早期实验的主要技术突破和遗留的技术挑战。 6.4 未来深空任务的PNAV展望 展望了下一代深空探测器（如火星返回、木星冰月探测）对脉冲星导航的更高要求，包括对新一代高频X射线脉冲星的应用，以及迈向星际导航的路径规划。 --- 附录 A：常用脉冲星参考星表与参数 附录 B：相对论性传播延迟的数学推导 附录 C：脉冲轮廓匹配算法的Python实现示例（伪代码） --- 参考文献

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这本书的叙述风格实在是太迷人了，作者仿佛是一位经验丰富的探险家，带着我们深入了一个我们既熟悉又陌生的世界。从头到尾，那种娓娓道来的叙事方式，让人在不知不觉中就被深深吸引。它不仅仅是在陈述事实，更像是在讲述一个关于发现与突破的故事，每一个转折都处理得恰到好处，吊足了胃口。特别是对那些基础概念的阐释，没有丝毫的枯燥感，而是充满了洞察力。我记得有几章专门探讨了时间维度上的变化，作者的处理方式简直是教科书级别的，既有宏观的视角，又不失对微小细节的关注。读完之后，我感觉自己对整个领域都有了一种全新的、更深层次的理解，仿佛推开了一扇通往新知识的大门。整个阅读体验是极其流畅和愉悦的，完全没有遇到那种晦涩难懂的瓶颈，这是很多专业书籍难以达到的高度。

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这份材料的结构安排堪称精妙，简直是一件艺术品。它不是简单地堆砌知识点，而是构建了一个逻辑严密的知识金字塔。从最底层的原理开始，层层递进，每一个章节都像是为下一个章节做了完美的铺垫。我尤其欣赏作者在处理复杂理论时的那种“庖丁解牛”般的功力，那些原本让人望而生畏的数学模型，在他的笔下变得清晰可辨，甚至带有一种几何学上的美感。这种编排的艺术，让读者能够非常自然地跟上思路，不会感到思维上的断裂。很多地方，作者会用一些巧妙的比喻来连接不同学科的知识点，使得原本看似独立的领域，忽然间展现出惊人的内在联系。这种跨越式的整合能力，是衡量一本优秀学术著作的重要标准，而这本书无疑做到了极致。

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坦白说，这本书的深度超出了我的初始预期，它远非一本简单的入门指南，而更像是一部全面的参考手册，但阅读起来却丝毫没有厚重感。我特别喜欢作者在行文过程中偶尔流露出的那种务实精神，他总是关注技术在实际工程中可能遇到的那些“坑”，并提前给出规避策略。这种从理论到实践的无缝衔接，对于我们这些希望将知识应用于工作的人来说，价值无可估量。书中的图表和插图设计也做得非常用心，它们不是简单的装饰，而是帮助理解抽象概念的有力工具。有时候，一张图胜过千言万语，这本书在这方面做得非常出色，极大地提高了信息传递的效率和准确性。

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这本书的文字韵味有一种独特的沉静和力量。它没有过分花哨的辞藻，但每一个用词都精确到位，充满了科学的严谨性。给我留下最深印象的是作者在探讨技术局限性时所展现出的坦诚态度。他毫不避讳地指出了当前方法的不足之处，并且鼓励读者用批判性的眼光去看待问题。这种鼓励独立思考的氛围，是很多被“标准答案”主导的教材所缺乏的。这种气质，让整本书散发出一种成熟的学术魅力，它不强迫你接受任何结论，而是引导你一步步建立自己的认知框架。读完之后，我感到自己不仅吸收了知识，更重要的是，我的思考方式也得到了潜移<bos>ueditor的优化和提升。

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阅读这本书的过程，更像是一次与一位睿智导师的深度对话。文字中透露出的那种对学科前景的深刻洞察力，令人印象深刻。作者似乎不仅精通现有的技术，更能预见未来几年的发展趋势。他没有沉溺于对既有成就的赞美，而是将大量的篇幅放在了“未解之谜”和“前沿挑战”上，这极大地激发了我的探索欲。书中的案例分析部分尤其精彩，它们并非是孤立的展示，而是作为验证理论有效性的有力证据链条。这些案例的选取极其具有代表性，涵盖了不同的应用场景，使得理论知识立刻落地生根，变得鲜活起来。从中可以感受到作者在学术界深厚的积累和广阔的视野，能将如此复杂的议题阐述得如此通透，实在难得。

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