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出版者:

作者:中央电化教育馆 编

出品人:

页数:143

译者:

出版时间:2004-1

价格:18.00元

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isbn号码:9787304025847

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航天器姿态确定与轨道确定技术：原理、方法与实践 内容简介 本书聚焦于航天器姿态和轨道确定这一复杂而关键的技术领域，系统阐述了现代航天任务中不可或缺的理论基础、核心算法与工程实现细节。本书旨在为从事卫星设计、控制、运营的工程师和科研人员提供一本全面、深入且具有高度实践指导意义的参考手册。 第一部分：基础理论与数学建模 本书首先回顾了航天器动力学与控制的基础知识，为后续的姿态和轨道确定奠定坚实的数学框架。 第一章 航天器运动学基础： 详细介绍了描述刚体运动的数学工具，包括欧拉角、四元数（Quaternion）和旋转矩阵的优缺点及其相互转换的精确方法。重点讨论了旋转的非交换性及其在姿态描述中的应用，并引入了角速度和角加速度的物理意义。 第二章 轨道动力学与坐标系转换： 阐述了二体问题下的开普勒轨道参数表示法，以及高阶摄动力（如地球非球形引力场、大气阻力、太阳辐射压力）对轨道的影响模型。书中对地心惯性坐标系（ECI）、地固坐标系（ECEF）及航天器本体坐标系之间的严谨转换流程进行了详尽的几何和代数推导，这是后续传感器数据处理的前提。 第三章 传感器原理与误差模型： 深入剖析了姿态和轨道测量传感器的工作原理及其内在的误差特性。 姿态传感器： 详细介绍了星敏感器（Star Trackers）的成像原理、星图匹配算法、误差来源（如视场畸变、漂移误差）以及其在不同光照条件下的性能表现。对磁强计（Magnetometers）的磁场模型、噪声特性和与星敏感器的融合方法进行了深入探讨。陀螺仪（Gyroscopes）的漂移率、比力计的精度限制，以及卡尔曼滤波在消除随机游走噪声中的应用被系统阐述。 轨道传感器： 重点分析了GPS接收机（GNSS）在轨测量数据的处理技术，包括接收机伪距和载波相位观测值的误差校正。对星间激光测距（Inter-Satellite Links, ISL）和地面雷达测量的几何约束和精度分析进行了深入讨论。 第二部分：姿态确定算法（Attitude Determination） 本部分集中讲解了从多源传感器数据中精确估计航天器瞬时姿态的先进算法。 第四章 观测值与姿态估计的向量代数方法： 探讨了基于“两个向量法”（Two-Line-of-Sight vectors）的姿态估计，如QUEST算法和扩展的最小二乘法（Least Squares）。详细介绍了如何利用观测到的地磁场向量和太阳光向量，通过最小化误差范数来求解最优的旋转矩阵。 第五章 姿态估计的滤波技术： 引入现代滤波理论在姿态估计中的应用。 扩展卡尔曼滤波（EKF）： 建立了基于四元数或旋转矢量描述的非线性姿态动力学模型和观测模型，并详细推导了EKF在线递推的步骤，包括状态预测、增益计算和状态更新。特别针对星敏感器和陀螺仪数据的异步融合进行了实例分析。 无迹卡尔曼滤波（UKF）： 针对EKF在线性化误差较大的情况，介绍了基于Sigma点采样策略的UKF，提高了在强非线性动力学模型下的估计精度和鲁棒性。 第六章 迭代批处理与优化： 讲解了在轨道周期内或特定时间段内利用所有观测数据进行最优估计的方法。重点阐述了基于牛顿法或高斯-牛顿法的迭代批处理技术，用于精确解算姿态参数。同时，介绍了最大似然估计（Maximum Likelihood Estimation）的原理及其在姿态确定中的实现。 第三部分：轨道确定算法（Orbit Determination） 本部分专注于如何利用观测数据精确地计算和预测航天器的空间位置和速度。 第七章 轨道测量与预处理： 详细说明了原始测距、测速数据到可用于轨道确定的残差数据流的转化过程。讨论了大气折射、电离层延迟、卫星上观测噪声对测距和测速数据的系统性影响及必要的修正模型。 第八章 经典轨道确定方法： 回顾了基于最小二乘法的轨道参数估计方法，包括单弧段（Single-Arc）和多弧段（Multi-Arc）处理技术。讲解了如何选择初始轨道根数（Keplerian Elements）并进行迭代收敛。 第九章 基于滤波的轨道状态估计： 这是轨道确定现代化的核心。 经典卡尔曼滤波（Kalman Filter, KF）： 建立了航天器在考虑主要摄动力下的线性化状态转移模型，并使用KF进行轨道状态（位置、速度）的实时估计。 迭代扩展卡尔曼滤波（IEKF）： 针对摄动力导致的强非线性，详细阐述了IEKF如何通过迭代修正来提高轨道预测的精度，特别适用于近地轨道（LEO）和中地球轨道（MEO）环境。 第十章 摄动力建模与精度分析： 深入剖析了用于高精度轨道确定的各类摄动力模型。包括EGM2008、EIGEN系列的高阶地球引力模型，太阳光压、大气阻力和月地引力摄动模型。书中给出了不同精度等级模型对轨道确定误差的量化分析，指导用户根据任务需求选择合适的模型复杂度。 第四部分：姿态与轨道一体化（AOD&OD）与应用 第十一章 联合估计与误差传播： 讨论了将姿态和轨道估计结合为一个统一系统的必要性。讲解了如何在同一框架下（如联合扩展卡尔曼滤波）同时估计和传播姿态误差、轨道误差以及传感器偏差。重点分析了传感器噪声在姿态和轨道状态之间的耦合和交叉影响。 第十二章 轨道机动与高精度定轨： 介绍了航天器进行轨道维持（Station Keeping）和轨道转移（Orbit Maneuvers）时，如何利用推进器点火的加速度数据（加速度计数据）来修正轨道参数，并实施实时的轨道预测与轨道重构（Orbit Reconstruction）。 附录： 包含常用的数学变换矩阵库、四元数运算函数以及标准地球模型参数集，便于读者快速验证和实现书中所述算法。 本书理论严谨，推导详尽，并穿插了大量实际案例和工程实现注意事项，是航天领域专业人员提升姿态轨道确定与控制能力的必备参考书。

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这本书的实践导向性让我印象非常深刻，它不像某些教材那样只停留在抽象的理论层面，而是将大量的篇幅用于介绍实际的地面站建设、设备选型和操作流程。对于我们这些需要亲自动手搭建和维护接收系统的工程师来说，这种实操层面的指导简直是雪中送炭。作者详尽地描述了从选址环境评估、馈源与LNB的匹配，到后端基带处理单元的配置与调试的全过程。书中对于不同频率波段（如S/X/Ku/Ka）下设备选型的差异性考量，特别是关于大气衰减和雨衰的补偿策略，提供了非常具体的经验数据。读完这部分，我感觉自己像是跟着一位经验丰富的老手走了一趟完整的工程项目。唯一的遗憾是，对于软件定义无线电（SDR）技术在卫星接收机中的应用集成，内容略显单薄，现在很多前沿的接收机都高度依赖SDR架构来实现灵活的信号处理，希望作者能在未来补充一些基于通用硬件平台的软件开发与集成指南，这样能更好地衔接现代化的快速迭代需求。

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这本书最大的价值在于其对“标准”和“协议”的强调，这在实际工作中是决定项目成败的关键因素。它不仅讲解了技术如何实现，更重要的是解释了为什么业界要采用特定的通信协议和数据格式。例如，对于遥感卫星数据的下传链路，书中对STDN/CCSDS等标准中数据包结构、帧同步机制的解读非常到位，准确指出了在不同层级需要进行的校验和处理。这种对规范的深入剖析，使得读者在进行跨系统兼容性设计时，能够迅速定位问题所在。此外，作者在讲解数据处理流程时，也很有前瞻性地触及了面向对象的处理理念，虽然没有完全展开成软件设计课程，但对于培养系统化思维非常有帮助。如果能增加一个专门章节来对比分析不同国家或组织（如NASA, ESA, CNSA）在地面接收协议上的细微差异及其影响，那就更具参考价值了，能帮助读者在国际合作项目中规避潜在的兼容性风险。

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这部书的理论基础搭建得非常扎实，看得出来作者在电磁波传播、信号处理以及天线原理这些硬核知识点上投入了大量的精力。特别是关于链路预算和噪声分析的部分，讲解得细致入微，即便是对于初学者来说，也能通过书中的推导过程，逐步理解复杂公式背后的物理意义。我尤其欣赏它在阐述数字调制解调技术时的深度，从BPSK到QPSK再到更先进的M-ary QAM，每种调制方式的优缺点、在不同信噪比下的BER性能曲线，都有详尽的图表支撑，这对于我们进行系统设计时选择最优的通信方案至关重要。如果说有什么不足，或许是对于新型的编码技术，比如LDPC或者极化码的介绍还不够深入，期望能在后续版本中看到更多关于现代前向纠错编码在卫星通信链路中应用的实战案例和具体参数设置的指导，毕竟如今的卫星系统对数据速率和可靠性要求越来越高，这方面的知识是未来发展的关键。总的来说，这是一本能让你从“知道”上升到“理解”的参考书。

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这本书给我的整体感觉是它更像是一本“方法论”的指导手册，而非单纯的知识点罗列。它成功地将深奥的物理层技术与实际的应用场景紧密地联系起来，特别是关于“数据质量评估与故障诊断”的章节，简直是为现场工程师量身定做的。书中详细列举了接收信号质量下降时可能出现的各种症状（例如，随机错误率升高、突发错误增多、同步丢失等），并系统地给出了对应的排查路径和工具建议。这种“从现象到原因再到解决方案”的逻辑链条构建得非常完善，有效避免了盲目试错。不过，我注意到书中对于数据安全和加密传输的探讨略显保守，在当前地缘政治环境下，卫星数据链路的安全性和抗干扰性日益成为关注焦点。期待未来版本中能引入更多关于物理层安全（如抗欺骗技术）和高性能加密模块集成方面的讨论，毕竟在接收数据时，确保数据源的真实性和传输过程的保密性，和保证信号的完整性同等重要。

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从排版和逻辑组织的角度来看，这部教材的编排思路非常清晰流畅，层次感极强。它不是简单地堆砌知识点，而是遵循着“原理—建模—仿真—验证”的科学研究脉络来构建知识体系。前几章建立了信号传播和噪声的数学模型后，紧接着就引出了如何用这些模型去设计一个符合特定指标的接收系统，随后穿插了大量的数学推导和概念辨析，使得整个学习过程一气呵成，避免了概念理解上的跳跃性。特别是对于时频同步技术（如定时同步和载波恢复）的讲解，作者采用了分步解析的方法，先介绍了传统的模拟锁相环（PLL）结构，再过渡到现代基于数字信号处理的同步算法，这种由浅入深的设计，极大地降低了理解复杂算法的门槛。如果说要给出一个改进建议，或许是图例可以更加丰富和高清化，有些关键的波形或频谱图在低分辨率下观察细节时略感吃力，毕竟视觉辅助对于理解动态过程至关重要。

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