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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