本书以深空探测的重要研究领域――火星探测为研究背景，对火星探测任务中探测器进入、下降和着陆过程（EDL过程）中的导航、制导与控制问题进行了详细的研究，系统地提出了探测器在经历火星大气层"恐怖"七分钟后能够精确着陆火星表面的理论与方法。

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目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究背景及意义 2
1.2.1 研究背景 2
1.2.2 研究意义 3
1.3 火星探测器进入、下降与着陆过程 4
1.4 EDL各阶段研究现状及存在问题 11
1.4.1 进入段研究现状和存在问题 11
1.4.2 伞降段研究现状和存在问题 18
1.4.3 动力下降段研究现状和存在问题 22
1.4.4 着陆段研究现状和存在问题 22
1.5 本书结构 23
第2章 火星探测器EDL过程动力学模型 25
2.1 引言 25
2.2 EDL过程坐标系、旋转矩阵 25
2.3 火星基本环境参数 29
2.4 “好奇号”探测器模型 30
2.4.1 进入段三自由度动力学模型 32
2.4.2 进入段六自由度动力学模型 35
2.5 进入段相关参数 36
2.6 进入段导航测量模型 37
2.6.1 IMU测量模型 38
2.6.2 火星轨道器观测模型 39
2.6.3 火星表面信标测量模型 41
2.7 伞降段开伞条件的确定 42
2.8 动力下降段模型 43
2.9 着陆段模型 45
2.10 本章总结 45
第3章 火星探测器进入段通信黑障问题研究 46
3.1 通信黑障问题研究 46
3.1.1 黑障形成过程 46
3.1.2 黑障成因分析 47
3.1.3 黑障区间估计 48
3.1.4 通信黑障仿真 50
3.2 无线衰落信道下探测器导航滤波算法 52
3.2.1 进入段无线衰落信道统计特性 52
3.2.2 无线空间通信信道建模 53
3.2.3 等离子体信道建模 54
3.2.4 通信间歇观测 55
3.3 信号衰落下进入段导航算法 56
3.4 无线衰落条件下导航滤波仿真 58
3.4.1 仿真初始条件 58
3.4.2 IMU和无线电组合导航 61
3.5 本章总结 63
第4章 火星探测器进入段导航策略问题研究 64
4.1 观测模型 64
4.2 进入段导航策略仿真 64
4.3 进入段组合导航方案的可观性分析 69
4.3.1 基于观测矩阵条件数的可观性分析 70
4.3.2 状态可估计性分析 71
4.3.3 导航方案的数值仿真和分析 71
4.4 进入段不确定参数下的弱敏感导航滤波算法 76
4.4.1 弱敏感滤波算法设计 77
4.4.2 数值仿真和分析 79
4.5 迸入段不确定参数和未知扰动下的新型自适应插值滤波算法 85
4.5.1 普通的插值滤波算法 86
4.5.2 新型的自适应插值滤波算法 89
4.5.3 火星进入导航系统数值仿真和分析 92
4.5.4 紧耦合非线性随机系统数值仿真和分析 96
4.6 进入段状态模型偏差和测量异常值下的自适应胡贝尔插值滤波算法 98
4.6.1 胡贝尔插值滤波算法和自适应胡贝尔插值滤波算法的引出过程 99
4.6.2 胡贝尔插值滤波算法和自适应胡贝尔插值滤波算法的执行过程 102
4.6.3 数值仿真和分析 105
4.7 本章总结 108
第5章 火星探测器大气进入段制导与控制问题研究 110
5.1 基于自抗扰的阻力跟踪制导控制 110
5.1.1 自抗扰控制技术 111
5.1.2 标称轨迹和控制律的设计 115
5.1.3 自抗扰跟踪控制律设计 118
5.1.4 仿真结果和分析 119
5.2 基于滑模和扩张状态观测器的进入段轨迹跟踪控制 123
5.2.1 问题描述 123
5.2.2 主要结果 124
5.2.3 仿真与分析 127
5.3 基于高阶滑模和扩张状态观测器的进入段轨迹跟踪控制 135
5.3.1 问题描述 135
5.3.2 主要结果 137
5.3.3 仿真与分析 141
5.4 基于非奇异全阶滑模和扩张状态观测器的进入段轨迹跟踪控制 149
5.4.1 问题描述 150
5.4.2 主要结果 150
5.4.3 仿真与分析 155
5.5 基于预测校正算法的进入段制导与控制问题研究 164
5.5.1 纵向预测校正算法 165
5.5.2 航向调整 168
5.5.3 改进的预测校正算法 169
5.5.4 仿真结果 169
5.6 本章总结 173
第6章 火星探测器伞降段建模与稳定性问题研究 175
6.1 附加质量问题研究 175
6.1.1 流体运动学方程 175
6.1.2 物伞系统在流体中运动时的数学方程 176
6.1.3 物体在无穷域中适动时的“附加质量” 177
6.1.4 物伞系统“附加质量”矩阵研究 181
6.2 物伞系统开伞阶段研究 184
6.2.1 降落伞充气过程的分析与建模 184
6.2.2 仿真验证 188
6.3 物伞系统六自由度数学模型和稳定性分析 191
6.3.1 物伞系统六自由数学模型的建立与分析 191
6.3.2 物伞系统稳定性分析 194
6.3.3 系统仿真 198
6.4 本章总结 201
第7章 火星探测器动力下降段反馈制导问题研究 203
7.1 动力下降段模型和约束 204
7.2 ZEM/ZEV 204
7.3 改进的ZEM/ZEV最优反馈制导律设计 205
7.4 蒙特卡罗仿真 208
7.5 本章总结 211
第8章 火星探测器着陆段视觉导航问题研究 212
8.1 图像预处理 212
8.1.1 噪声处理 213
8.1.2 边缘检测 213
8.1.3 霍夫变换 214
8.1.4 陨石坑区域提取 215
8.2 图像特征提取与匹配算法 216
8.2.1 SIFT算法 216
8.2.2 ASIFT算法 222
8.3 基于陨石坑拟合椭圆的着陆器位姿估计算法 224
8.3.1 坐标系确立 224
8.3.2 运动约束方程建立 225
8.3.3 位姿估计 226
8.3.4 仿真及结果分析 227
8.4 基于卷积神经网络的火星探测器路径规划算法 233
8.4.1 问题描述 233
8.4.2 火星图像预处理 234
8.4.3 卷积神经网络模型 235
8.4.4 训练数据与结果 236
8.5 本章总结 237
第9章 火星探测器EDL过程Unity3D仿真实现 238
9.1 虚拟物体的建模 238
9.1.1 火星探测器的模型 238
9.1.2 火星降落伞的模型 240
9.1.3 火星大气环境模型 241
9.2 进入段仿真平台的搭建 241
9.2.1 ADRC制导方法的仿真实现 242
9.2.2 UDP传输接口设计 242
9.2.3 Unity3D界面设计 243
9.3 伞降段仿真平台的搭建 243
9.3.1 开伞过程的导入设计 243
9.3.2 稳定下降段界面设计与程序调试 243
9.4 动力下降段与着陆段仿真平台的搭建 244
9.5 EDL过程仿真平台搭建 245
9.6 本章总结 246
参考文献 247