具体描述
基本信息
书名：X射线脉冲星导航理论与应用
定价：78.0元
作者：郑伟
出版社：科学出版社
出版日期：2015-05-01
ISBN：9787030442840
字数：263000
页码：
版次：1
装帧：精装
开本：16开
商品重量：0.4kg
编辑推荐
《X射线脉冲星导航理论与应用》适合从事航天器自主导航理论与方法研究的科研人员和工程技术人员阅读,也可以作为相关专业研究生的教学参考书.
内容提要
《X射线脉冲星导航理论与应用》是作者及其团队结合外新进展在总结提炼近10年研究成果的基础上编写而成.《X射线脉冲星导航理论与应用》共9章,首先论述了X射线脉冲星导航研究进展,接着介绍了X射线脉冲星导航的支撑理论X 射线脉冲星信号处理方法定位/守时/定姿方法,系统论证了系统误差的传播机理,进而提出了相应的补偿方法,建立了以X射线脉冲星观测为主的多测量信息融合导航框架和基于X射线脉冲星观测的卫星星座定向参数测定技术,设计并构建了X射线脉冲星导航地面仿真验证系统.《X射线脉冲星导航理论与应用》的特点在于开创性地提出了一系列提升X射线脉冲星导航系统性能拓展其应用范围的措施,包括系统地分析了导航系统误差的传播机理,并提出相应的补偿方法;提出了以X射线脉冲星观测为主的多观测信息融合导航方法,弥补了X 射线脉冲星导航存在的观测周期过长难以适用于机动轨道等问题;提出了基于卫星间相对观测脉冲星,控制卫星星座整体旋转的方法,为实现自主抑制卫星星座整体旋转提供了崭新思路;设计并构建了X射线脉冲星导航地面仿真验证系统,为系统地验证该导航系统的性能提供了途径.
目录
作者介绍
文摘
章 绪论
1.1 航天器自主导航概述
1.1.1 自主导航的定义及特点
航天器的导航系统通常分为自主和非自主两大类.航天器自主导航是指航天器不依赖外界支持，完全依靠自身搭载设备，与外界不发生光电联系的导航定位技术.美国学者Lemay提出用下列四个特点来表示航天器自主导航的概念:①自给或者独立;②实时操作;③无辐射;④不依靠地面设备.工程实践一般认为，不依赖地面支持，航天器能利用星上自带设备实时确定自己状态的方法，都称为航天器自主导航.
1.1.2 航天器对自主导航技术的需求分析
目前对航天器的导航定位大多借助地面测控系统实现.然而随着航天技术的发展，在轨航天器数目日益增多，极大增加了地面测控系统的负担.此外，日益复杂的空间任务也对航天器自主运行技术提出了紧迫需求，而自主导航是航天器自主运行的核心，是提高航天器生存能力降低运营费用的关键技术.
1.1.2.1 提高近地航天器自主性的需要
近地航天器包括各种卫星飞船以及空间机动航天器跨大气层飞行器等新概念航天器.它们担负着数据传输侦察监视地面测绘天气预报等工作，已成为信息社会不可或缺的一部分.随着社会的发展，近些年发射的近地航天器种类和数量急剧增加，地面站对航天器进行跟踪测控和数据处理的负担也随之加重.我国航天器的运行主要由较少的测控站船支持，测控点数量有限，分布相对集中，实时监测航天器运行状态的时间弧段较短.这些有限的地面测控站也很容易遭到干扰而丧失其功能.
因此，为了降低地面支持成本，提高生存能力，航天器应具有自主导航能力.按轨道高度，可将近地航天器分为低轨航天器和中高轨航天器.借助卫星导航系统，低轨航天器已基本实现了自主导航，可完成如自主交会对接短期自主运行等任务.但卫星导航系统的覆盖空间有限(仅支持轨道高度3000km 以下的航天器)，中高轨航天器难以接收到导航卫星信号，从而无法实现自主导航.然而，同低轨航天器相比，高轨航天器由于其轨道高度优势，在日常生活中的作用更为重要.如何实现中高轨航天器的自主导航，正日益成为近地航天器自主导航研究的热点.
1.1.2.2 提高深空探测器自主性的需要
进入21世纪，深空探测日渐成为世界航天活动的热点.对太阳系行星小行星彗星等天体进行探测是人们认识自己了解太阳系和探索宇宙起源的重要途径.深空探测器航行距离远，任务周期长，对飞行任务中的各项关键技术都提出了新的要求，尤其是导航定位技术.
目前，国际上开展的深空探测计划大多采用地基无线电导航技术.经过几十年的建设与发展，以美国深空网为代表的全球深空探测网已初具规模.深空网采用无线电跟踪技术，测量深空探测器相对于地面测控站的距离和径向速度，结合地球等天体的星历信息来估计深空探测器的所有状态.该导航方法可靠性好，鲁棒性强，在深空探测任务中得到了广泛应用.
但该方法有以下几个无法弥补的缺陷:
(1)导航过程需要持续的人为操作和频繁的地面测控站与深空探测器的通信.由于深空探测器与地球距离遥远，深空探测器与地面测控站的通信延迟巨大，从火星到地球的通信时延大可达45min，探测木星土星等天体时的通信时延会更大.通信信号还可能被太阳及其他天体遮挡，这极大降低了地面测控站应对突发事件的能力，尤其对于载人深空探测任务更是十分危险.
(2)地面测控资源消耗大.随着深空探测器数目的增多，地面测控的负担日益加重.深空探测器的运行时间都比较长，从几年到几十年，在这么长的时间内完全依赖地面站测控实现深空探测器的导航，需要占用大量的地面测控资源.
(3)导航精度低实时性差.针对深空天体的接近飞越撞击等任务，要求深空探测器能够获得航天器相对目标天体的位置速度等信息.然而，深空探测的目标天体距离地球远，在地面建立的深空探测网，其测控信号强度随距离衰减，测量距离每增加一个天文单位，测距误差增大4km.仅依靠地面测控技术无论是导航精度还是实时性都难以满足这些特殊空间任务的需要.
另外，对于深空探测任务，足够大的测控覆盖率是保证任务取得成功的基础.然而，由于地理及政治因素，我国不可能像美国一样在全球布置测控站.因此，为了高效利用我国有限的测控资源，在推进深空探测的过程中，发展自主导航技术就显得尤为重要.采用自主导航技术，深空探测器即使在与地面通信联络完全中断的情况下，仍然能够完成轨道确定轨道保持等日常功能，具有较强的生存能力.因此，自主导航是未来深空探测任务的核心关键技术之一.
1.1.2.3 提高导航卫星星座自主性的需要
对于地面及空中目标，导航卫星是主要的高精度定位和守时手段.而导航卫星自身的星历误差和时钟误差是影响地面及空中目标导航精度的重要因素.目前，导航卫星自身的星历及时钟精度主要通过地面监控系统按时编算和注入导航电文来保证.若地面监控系统发生故障，整个卫星导航系统将陷入瘫痪.因此提高自主性是目前导航卫星发展的一个重要方向.
对于星座，通过建立星间无线电链路，进行星间伪距观测和数据通信，是实现高精度自主定轨的一种重要而有效的手段.美国的GPS(globalpositioningsystem)先提出导航星座自主导航的概念，通过利用高精度星间测量和星历预报信息来进行星座轨道和时间的自主在线估计.但单纯采用星间距离观测进行星座自主定轨时存在秩亏问题，只能确定星座内卫星之间的相对位置，无法测量星座的整体旋转.
“北斗二代”导航系统是我国不可或缺的国家空间基础设施，对国家安全和国民经济具有重要的意义.如何实现“北斗”导航星座的自主导航已成为一个具有重大战略意义的新课题.
1.2 航天器自主导航系统分类及发展概况
1.2.1 惯性导航系统
惯性导航系统(inertialnavigationsystem，INS，简称惯导系统)通过测量航天器的视加速度和体坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度，利用积分运算，自行获得航天器的瞬时速度位置和姿态等信息.惯性导航系统具有不依赖外界信息不向外辐射能量不受干扰隐蔽性好的特点，且能连续地提供载体的导航参数，故广泛应用于航天航空航海军事领域.
惯导系统通常由陀螺仪加速度计组成.其中，陀螺仪误差对惯导系统位置误差的影响随时间的三次方积累.而高精度的陀螺仪制造困难，成本昂贵，因此惯性技术界一直在寻求能够提高陀螺仪的精度且降低系统成本的有效方法.目前广泛使用的陀螺仪包括机械陀螺和光学陀螺.
机械陀螺是一种基于机械转子的定向性和进动性来敏感角速率或角位移的装置.1852年，法国物理学家博科初步提出了建立陀螺仪的设想.进入20世纪之后，机械陀螺仪技术在军事工业等需求的刺激下得到了快速发展，相继出现了浮力陀螺和静电陀螺，其中浮力陀螺还包括液浮陀螺气浮陀螺磁悬浮陀螺等.为了降低成本，又发展出了振动式陀螺.振动式陀螺包括半球谐振陀螺仪石英音叉振动式陀螺仪和微机电陀螺等.
光学陀螺主要有三大类:激光陀螺光纤陀螺和集成光学陀螺.其中激光陀螺和光纤陀螺已经得到广泛应用，集成光学陀螺目前正处在研究开发阶段，具有良好的应用前景.
除了机械陀螺和光学陀螺，随着激光冷却等原子光学技术的进步，利用冷原子作为波源的冷原子干涉陀螺仪正在快速发展，有望成为惯性导航领域颇具发展潜力的新型陀螺技术.
按照惯性测量值的获取方式不同，可将惯导系统分为平台式惯导系统(gimGballedinertialnavigationsystem，GINS)和捷联式惯导系统(strapdowninertialnaviGgationsystem，SINS).为了提高惯导系统的精度，除了从硬件制造水平上和算法改进上继续努力外，还需对惯导系统测量误差模型有深刻的认识，并对测量信息进行高精度补偿.随着使用环境的变化，惯导误差模型的参数会发生改变，导致实验室条件下的标定参数可靠性下降.对此可采用弹载试验火箭橇试验和车载试验等方法对惯导误差模型进行系统性检验.
1.2.2 天文导航系统
天文导航系统是通过测量自然天体方位等信息来确定航天器位置和姿态的一种导航方式.天文导航系统自主性强抗干扰能力强可靠性高，可同时获得位置和姿态信息，且具有导航误差不随时间积累的优点.
天文导航系统是一种古老而又年轻的导航方式，早应用于航海.20世纪50年代以来，电子技术计算机技术和航天技术的迅猛发展，开启了天文导航系统在航天器导航领域的应用.美国的阿波罗载人登月计划和前苏联的空间站均使用了天文导航系统.
单纯利用恒星方位测量信息只能获得卫星的姿态信息，为了确定卫星的位置，还必须获得卫星相对于近天体的位置信息.对于人造卫星，该近天体一般为地球，有时也选择月球.
根据近天体测量信息获取方式的不同，可分为直接敏感地平导航方法和间接敏感地平导航方法.
直接敏感地平导航方法采用地平敏感器与星敏感器和惯性测量单元提供卫星的位置和姿态信息.
20世纪60年代，美国空军启动了项卫星自主导航计划———283计划.该计划设计的导航系统包括姿态基准系统(三个捷联陀螺和一个框架式星敏感器)地平敏感器星上计算机和时钟.研究表明，该系统的导航精度主要受到地平敏感器误差的限制，预期的轨道确定精度为2km.该计划完成了一些元器件试验，但整个计划停滞在实验室阶段.
1973年，美国空军启动了空间六分仪自主导航和姿态基准系统(space tentGautonomous navigation and attitude reference system，SS/ANARS).该系统由安装在一个三自由度转动平台上的两台光学望远镜构成，其中一台望远镜用于跟踪月球明亮的边缘，另一台望远镜用于跟踪一颗已知的恒星，由两条视线之间的夹角构成基本观测量进行导航计算.相应的系统性能指标为:姿态确定精度0.6″，定位精度224m.空间六分仪的正式工程样机在1982年于航天飞机上进行了部分轨道飞行试验.
基于星光折射的间接敏感地平导航方法利用高精度的星敏感器和大气对星光折射的数学模型及误差补偿方法实现航天器的定位.1979年，美国开始研制一种低成本捷联式模块化的姿态基准导航系统——多任务姿确定与自主导航系统(mulitmissionattitudedeterminationandautonomousnavigation，MADAN).该系统利用三台星敏感器，能提供实时连续的惯性姿态和轨道信息，且具有全自主长寿命等特征.该系统的目标定位精度为0.9km(低轨)和9km(高轨).1984年，系统的全套样机进行了实验室试验.
除了敏感地平的方法，美国Microcosm 公司于1989年研制了一种利用星载专用自主导航敏感器对地球月球和太阳进行测量，实时确定航天器轨道和姿态的系统———麦式自主导航系统(microcosmautonomousnavigationsystem，MANS).该系统基于一个导航敏感器的测量值即可以完成自主导航和三轴姿态确定的任务，可以应用于中低轨道卫星，其导航敏感器由通常的圆锥扫描式红外地球敏感器经过改进而成，具有质量小功耗低成本低廉等优势.1994年3月，该系统搭载在“空间试验平台-零号”航天器上的TAOS(technologyforautonomousoperationalsurvivGability)进行了可行性及关键技术试验验证.遗憾的是，由于星载计算机出现故障，MANS的空间测量数据只能下传到地面分析，估计定位精度为200~500m.
进入21世纪，美国法国日本等国掀起了新一轮的深空探测热潮.随着光学测量设备星敏感器等导航敏感元器件的工艺水平日益提高，基于天文观测的深空探测自主导航系统逐渐在深空探测任务中成为辅助地面测控系统的一个重要备份导航系统.美国的“深度撞击”(deepimpact)任务和日本的“隼鸟”(MUSES C)探测器均使用了天文导航系统来提高深空探测器的自主生存能力.
1.2.3
……
序言
用户评价
初拿到这本《X射线脉冲星导航理论与应用 郑伟》，一种沉甸甸的学术气息扑面而来。书的装帧朴实无华，没有花哨的插图，只有密集的文字和精炼的公式。这让我对接下来的阅读充满了期待，也预感到这会是一场硬核的知识挑战。对于脉冲星，我之前仅有的了解是它们极高的自转速度和强大的磁场，以及它们作为天体物理研究的重要对象。而将脉冲星与“导航”联系起来，在我看来，这是一种极具前瞻性的视角。想象一下，在漆黑的宇宙深处，当GPS信号无法触及，当传统的导航方式失效时，这些来自遥远星辰的稳定脉冲，是否能够成为指引我们前行的信标？这本书的书名让我联想到“时间”这个概念，脉冲星的周期性脉冲，本质上是一种极其精确的时间信号。如果能够捕捉和解读这些信号，并将其应用于定位和导航，那么这无疑会是人类太空探索史上的一大飞跃。我很好奇书中会如何阐述脉冲星信号的特性，如何进行理论建模，以及在实际应用中会遇到哪些技术难题和解决方案。这本书的出现，或许会为未来的深空探测和星际旅行打开新的可能性。
评分《X射线脉冲星导航理论与应用 郑伟》这个书名，让我的思绪一下子就飘到了广阔的宇宙。脉冲星，这些高速旋转的中子星，它们的X射线闪耀如同宇宙中的密码，而“导航”则赋予了这些密码一种实际的意义。我一直对太空探索充满着浪漫的想象，而这本书的名字，似乎是将这份浪漫与严谨的科学研究完美结合。想象一下，在茫茫宇宙中，没有了地球上的灯塔和信号塔，我们的飞船将如何定位？也许，这些来自遥远恒星的“心跳”声，就是我们唯一的指引。我对书中是如何将脉冲星的周期性辐射转化为可用的导航信号的过程感到非常好奇。这其中涉及到多少物理学和天文学的知识？又需要多少精密的计算和观测？书名中的“理论与应用”暗示了这本书既有深厚的学术基础，又有实际的工程价值。我期待这本书能够为我打开一扇了解脉冲星导航领域的窗口，让我看到科学家们是如何将宇宙的奥秘转化为人类探索未来的工具。
评分这本书的封面设计就充满了神秘感，黑色的背景上，一行行白色的文字，像是星空中的脉冲信号，又像是深邃宇宙中的秘密。虽然我还没来得及深入阅读，但仅从书名《X射线脉冲星导航理论与应用 郑伟》来看，就足以勾起我极大的好奇心。脉冲星，这个遥远而又奇特的宇宙天体，它以规律的周期发出X射线脉冲，如同宇宙中的灯塔。而“导航”二字，则将这份天体物理的奥秘与我们人类的实际需求巧妙地联系在了一起。想象一下，如果我们能真正理解并利用这些宇宙灯塔的信号，那么未来在浩瀚的宇宙中进行导航，将不再是科幻小说中的情节。这本书的名字让我联想到《星际穿越》中那些关于引力、时空和宇宙奥秘的探讨，虽然我知道这本书的重点可能更为具体和技术化，但那种对未知宇宙探索的憧憬，却是共通的。郑伟这个名字，我虽然不熟悉，但如此一本深邃的学术著作，作者必然是该领域的佼佼者。我期待书中能有扎实的理论基础，严谨的数学推导，以及对未来应用前景的清晰展望。这不仅是一本关于天文学的书，更是一本关于人类如何拓展生存空间的思考之作。
评分这本书的书名——《X射线脉冲星导航理论与应用 郑伟》——着实激起了我的求知欲。脉冲星，光是听名字就带着一股神秘和力量，仿佛是宇宙深处隐藏的定时炸弹，又或是指引方向的星辰。而“导航”这个词，则将这份来自宇宙深处的信号，与我们赖以生存和发展的空间定位技术紧密相连。在地球上，我们依赖GPS，甚至卫星通信，但当目光投向星辰大海，这些熟悉的工具将变得无能为力。这时候，能否利用那些恒久、稳定的宇宙信号，来为我们的航天器指明方向？这不仅是技术上的挑战，更是人类探索边界的梦想。我非常期待书中能够深入浅出地剖析X射线脉冲星的物理本质，解释它们为何能产生如此规律的脉冲，以及这些脉冲信号在理论上如何能够被用来构建一个不受地域限制的导航系统。当然，任何理论的实现都离不开实际的应用。我同样对书中提到的“应用”部分充满好奇，它是否会涉及具体的算法、仪器设计，甚至是模拟实验的成果？这本书的出版，对于航天、天文学以及未来深空探索领域的研究者和爱好者来说，无疑是一笔宝贵的财富。
评分初次看到《X射线脉冲星导航理论与应用 郑伟》这本书的书名，我心中涌起一股探索未知的激动。脉冲星，这个名字本身就充满了宇宙的神秘感，它们如同宇宙中的守护者，以精确的节奏向外播撒着能量。而“导航”一词，则将这份来自星辰大海的信号，与我们日常生活息息相关的定位技术联系起来。这让我不禁联想到，在遥远的未来，当人类的足迹遍布太阳系乃至更远的星际空间时，传统的导航方式可能会显得捉襟见肘。而X射线脉冲星，凭借其固有的稳定性和普遍性，是否能够成为深空导航的终极解决方案？这本书的书名暗示了作者可能将深入探讨脉冲星的辐射机制，以及如何从中提取精确的时间和空间信息，并在此基础上构建一套完整的导航理论。我非常期待能够从书中了解到，科学家们是如何将抽象的物理原理转化为切实可行的工程应用，以及这套系统在面对实际的宇宙环境时，将面临哪些挑战和潜在的突破。
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