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第1章 概论1

1.1 航天器自主导航和天文导航概述1

1.1.1 地球卫星的自主导航技术2

1.1.2 深空探测器的自主天文导航技术5

1.1.3 天文导航特点10

1.2 坐标系11

1.2.1 天球坐标系11

1.2.2 地球坐标系14

1.2.3 太阳坐标系16

1.3 时间系统17

1.3.1 世界时17

1.3.2 恒星时18

1.3.3 原子时19

1.3.4 力学时19

1.4 天体和天体运动20

1.4.1 天体20

1.4.2 天体运动23

1.5 小结25

参考文献25

第2章 天文导航的天体敏感器31

2.1 引言31

2.2 天体敏感器分类31

2.3 恒星敏感器32

2.3.1 恒星敏感器简介32

2.3.2 恒星敏感器分类33

2.3.3 恒星敏感器设计34

2.3.4 恒星敏感器误差分析与标定41

2.4 太阳敏感器42

2.4.1 太阳敏感器简介42

2.4.2 太阳敏感器分类42

2.4.3 太阳敏感器设计43

2.4.4 太阳敏感器试验与标定46

2.5 地球敏感器47

2.5.1 地球敏感器简介47

2.5.2 地球敏感器分类48

2.5.3 地球敏感器设计50

2.5.4 地球敏感器试验与标定51

2.6 其他天体敏感器51

2.7 空间六分仪自主天文定位系统54

2.8 MANS自主天文导航系统56

2.8.1 MANS自主导航系统原理56

2.8.2 MANS自主导航系统硬件57

2.8.3 MANS自主导航系统软件58

2.8.4 MANS自主导航系统特点59

2.9 X射线敏感器59

2.10 光谱摄制仪62

2.11 小结65

参考文献65

第3章 航天器轨道姿态动力学方程68

3.1 引言68

3.2 航天器二体轨道方程和轨道要素68

3.2.1 二体问题68

3.2.2 6个积分和轨道要素70

3.3 航天器轨道摄动74

3.3.1 航天器轨道摄动方程74

3.3.2 地球非球形引力摄动78

3.3.3 日、月摄动78

3.3.4 大气阻力摄动79

3.3.5 太阳光压摄动80

3.3.6 潮汐摄动81

3.4 深空探测器的轨道运动82

3.4.1 多体问题和限制性三体问题82

3.4.2 地月飞行的轨道动力学方程84

3.4.3 行星际飞行的轨道动力学方程87

3.5 航天器的姿态运动88

3.5.1 方向余弦、欧拉角和四元数88

3.5.2 方向余弦、欧拉角和四元数之间的转换关系93

3.5.3 姿态运动学方程96

3.5.4 姿态动力学方程99

3.6 小结101

参考文献101

第4章 航天器天文导航系统的量测模型和滤波方法102

4.1 引言102

4.2 天文测角定位导航方法102

4.2.1 天文测角导航的观测量及量测方程103

4.2.2 天文测角导航的几何解析法106

4.3 天文多普勒测速定位导航方法111

4.3.1 天文多普勒测速导航的观测量及量测方程112

4.3.2 天文多普勒测速的直接解算方法113

4.4 天文测距定位导航方法114

4.4.1 X射线脉冲星天文测距导航的观测量及量测方程114

4.4.2 X射线脉冲星天文测距导航基本原理118

4.5 最优估计方法118

4.5.1 估计和最优估计方法118

4.5.2 最小方差估计120

4.5.3 极大似然估计121

4.5.4 极大验后估计122

4.5.5 贝叶斯估计123

4.5.6 线性最小方差估计124

4.5.7 最小二乘估计126

4.5.8 几种最优估计方法的比较及其关系128

4.6 线性和非线性系统的卡尔曼滤波方法130

4.6.1 卡尔曼滤波130

4.6.2 扩展卡尔曼滤波133

4.6.3 Unscented卡尔曼滤波138

4.6.4 Cubture卡尔曼滤波139

4.7 有色噪声条件下的粒子滤波方法141

4.7.1 粒子滤波的采样方法142

4.7.2 标准粒子滤波算法143

4.7.3 RJMCMC粒子滤波145

4.7.4 Unscented粒子滤波算法147

参考文献148

第5章 地球卫星直接敏感地平的自主天文导航方法及其性能分析151

5.1 引言151

5.2 航天器自主天文导航的基本原理151

5.2.1 航天器天文定位原理152

5.2.2 基于轨道动力学的航天器自主天文导航滤波方法153

5.2.3 地球卫星的自主天文导航方法153

5.3 地球卫星直接敏感地平的自主天文导航方法155

5.3.1 系统的状态方程155

5.3.2 系统的量测方程157

5.3.3 计算机仿真159

5.4 滤波方法的选择及优化161

5.4.1 三种方法在不同滤波周期下的导航性能比较162

5.4.2 三种方法在不同噪声分布下的导航性能比较164

5.4.3 三种方法的计算量比较165

5.5 UPF中UKF参数的选择及优化方法166

5.5.1 参数τ的选择166

5.5.2 参数Q的选择167

5.5.3 参数R的选择171

5.6 粒子数和重采样方法的选择及优化方法174

5.6.1 粒子个数的选择174

5.6.2 重采样方法的选择177

5.7 星敏感器最佳安装方位的确定及可观测分析180

5.7.1 基于PWCS和混合条件数的自主天文导航可观测度分析方法180

5.7.2 星敏感器安装坐标系的建立184

5.7.3 星敏感器的最佳安装方位185

5.8 小结188

参考文献189

第6章 地球卫星间接敏感地平的自主天文导航方法及其性能分析191

6.1 引言191

6.2 星光折射间接敏感地平天文导航原理191

6.2.1 星光大气折射原理191

6.2.2 星光折射高度与折射角、大气密度之间的关系195

6.2.3 大气密度分布特性及星光折射特性建模197

6.3 星光折射自主导航实现方案216

6.3.1 星光折射自主导航的实现方案216

6.3.2 星敏感器安装方案217

6.3.3 折射星的识别和折射角的获取218

6.4 以视高度作为观测量的星光折射自主导航方法222

6.4.1 系统的状态方程223

6.4.2 视高度的获取及其量测模型223

6.4.3 视高度量测误差特性分析224

6.4.4 以视高度作为观测量的导航方法仿真与分析230

6.5 以折射角作为观测量的星光折射自主导航方法235

6.5.1 基于星光折射角的量测模型建立235

6.5.2 折射角作为观测量的导航方法计算机仿真236

6.6 星光折射导航精度影响因素分析238

6.6.1 与折射观测量相关的影响因素分析238

6.6.2 量测模型对导航精度的影响分析245

6.7 基于信息融合的直接敏感地平和间接敏感地平相结合的自主天文导航方法247

6.7.1 系统模型的建立248

6.7.2 基于信息融合的UPF滤波方法249

6.7.3 仿真结果与分析250

6.8 小结252

参考文献252

第7章 深空探测器天文测角自主导航原理与方法256

7.1 引言256

7.1.1 深空探测器转移段天文导航的发展256

7.1.2 深空探测器捕获段天文导航的发展261

7.2 深空探测器天文测角自主导航系统模型264

7.2.1 深空探测器天文测角自主导航原理264

7.2.2 深空探测器天文测角自主导航系统轨道动力学模型266

7.2.3 深空探测器天文测角自主导航系统量测模型273

7.3 深空探测器天文测角自主导航误差分析与建模277

7.3.1 深空探测器天文测角轨道动力学模型误差分析与建模277

7.3.2 深空探测器行星捕获段量测模型误差分析286

7.3.3 深空探测器天文测角系统误差仿真分析292

7.4 基于几何平面约束和容积卡尔曼滤波的深空探测器天文测角导航方法304

7.4.1 天文测角导航系统模型304

7.4.2 天文测角导航系统的几何平面约束及其最优化305

7.4.3 求积分卡尔曼和容积卡尔曼非线性滤波方法308

7.4.4 计算机仿真312

7.5 基于图像信息和天文/测控信息的深空探测器天文测角自主导航方法316

7.5.1 星历误差建模及影响分析317

7.5.2 基于火星和天文/测控信息的直接解析星历误差方法322

7.5.3 基于目标天体图像星历误差估计修正的自主导航方法326

7.5.4 基于天文/测控导航信息星历误差估计修正的导航方法329

7.6 基于变尺度自适应滤波的深空探测器自主导航方法343

7.6.1 行星捕获段的轨道积分不定系统误差344

7.6.2 变尺度自适应UKF滤波方法344

7.6.3 基于变尺度自适应滤波的自主导航系统模型346

7.6.4 计算机仿真349

7.7 基于自适应调节状态模型噪声方差阵的深空探测器天文测角自主导航方法355

7.7.1 AQSCKF算法356

7.7.2 计算机仿真357

7.8 小结365

参考文献366

第8章 深空探测器脉冲星测距导航原理与方法369

8.1 引言369

8.1.1 深空探测轨道器脉冲星导航的发展369

8.1.2 深空探测轨道器脉冲星导航方法概述372

8.2 基于ASUKF的火星探测器脉冲星自主导航方法375

8.2.1 基于ASUKF的天文测距自主导航系统模型375

8.2.2 计算机仿真377

8.3 存在脉冲星方向误差的脉冲星导航方法381

8.3.1 引言381

8.3.2 脉冲星方位误差引起的系统偏差382

8.3.3 导航滤波器设计386

8.3.4 可观测性分析388

8.3.5 仿真结果392

8.4 基于EKF-CMBSEE的X射线脉冲星导航397

8.4.1 引言397

8.4.2 小计算量的脉冲星信号多普勒补偿方法398

8.4.3 X射线脉冲星导航测量模型403

8.4.4 测量偏差与状态估计误差相关下的EKF404

8.4.5 仿真结果408

8.5 基于闭环EKF的脉冲星自主导航414

8.5.1 脉冲星多普勒效应基本原理414

8.5.2 闭环EKF415

8.5.3 仿真试验416

8.6 小结417

参考文献417

第9章 深空探测器天文测角/测距/测速组合导航方法421

9.1 引言421

9.2 基于天文测角和天文测距的自主导航方法421

9.2.1 基于小行星和脉冲星观测的自主导航方法421

9.2.2 基于火星和脉冲星观测的自主导航方法433

9.3 基于天文测速和天文测距的深空探测器组合导航方法439

9.3.1 基于星光多普勒的脉冲星脉冲到达时间补偿439

9.3.2 面向编队飞行的脉冲星/星光多普勒组合导航447

9.3.3 太阳光谱不稳定下的多普勒/脉冲星组合导航465

9.3.4 基于星光多普勒预测的脉冲星导航方法475

9.3.5 冗余组合导航中的导航恒星选择策略483

9.4 天文测角/测速/测距组合导航的可观测性分析方法495

9.4.1 可观测分析方法495

9.4.2 基于FIM的自主导航系统的可观测理论分析498

9.5 小结505

参考文献505

第10章 深空探测巡视器自主天文和组合导航原理与方法508

10.1 引言508

10.1.1 巡视段深空探测器自主导航的发展508

10.1.2 巡视段深空探测器自主导航概述510

10.2 巡视段探测器的自主天文导航方法512

10.2.1 巡视段探测器自主天文导航的基本原理512

10.2.2 基于UPF的月球车自主天文导航新方法516

10.2.3 基于ASUPF的月球车天文定位方法521

10.3 静止条件下的巡视器惯性/天文初始化方法525

10.3.1 天文辅助惯性初始对准方法526

10.3.2 基于惯性/天文组合的巡视器自主初始化方法532

10.3.3 一种考虑加速度计误差修正的巡视器自主初始化方法534

10.4 运动条件下的双模式惯性/天文组合导航方法540

10.4.1 双模式惯性/天文组合导航方案540

10.4.2 松耦合模式的系统模型541

10.4.3 地面测试系统仿真验证542

10.5 基于状态估值以相对运动参数误差为量测量的惯性/视觉导航方法552

10.5.1 以相对运动参数误差为量测量的惯性/视觉导航原理552

10.5.2 状态模型553

10.5.3 量测模型554

10.5.4 计算机仿真与实验557

10.6 巡视器的惯性/天文/视觉组合导航方法560

10.6.1 惯性/视觉/天文组合导航算法流程562

10.6.2 惯性/视觉/天文组合导航系统模型565

10.6.3 半物理仿真568

10.7 小结576

参考文献576

第11章 航天器的惯性/天文组合导航原理与方法585

11.1 引言585

11.2 惯性/天文组合导航的基本原理586

11.2.1 惯性导航的基本原理586

11.2.2 惯性/天文组合导航系统工作模式592

11.2.3 惯性/天文组合导航系统的组合模式593

11.2.4 基于最优估计的惯性/天文组合导航基本原理595

11.3 弹道导弹的惯性/天文组合导航方法600

11.3.1 利用惯性/天文组合导航系统修正发射点位置误差的原理600

11.3.2 利用误差状态转移矩阵估计导弹主动段导航误差601

11.3.3 基于UKF的弹载惯性/天文组合导航方法605

11.4 卫星的惯性/天文组合定姿方法608

11.4.1 卫星定姿系统方程608

11.4.2 一种基于EKF自适应分段信息融合的惯性/天文组合定姿方法610

11.4.3 基于UKF的卫星最小参数姿态矩阵估计方法614

11.4.4 一种基于QUEST＋UKF＋最优REQUEST的自适应分段信息融合定姿方法619

11.5 小结624

参考文献625

第12章 基于STK的天文导航系统计算机仿真627

12.1 引言627

12.2 基于STK的天文导航计算机仿真方法627

12.3 基于STK的地球卫星仿真数据生成628

12.3.1 轨道参数设置629

12.3.2 轨道数据文件的输出632

12.3.3 航天器姿态数据生成633

12.3.4 姿态数据文件的输出639

12.4 利用STK生成月球探测器轨道数据639

12.4.1 任务基本参数设置639

12.4.2 月球探测器的任务控制序列（MCS）设置643

12.4.3 月球探测器的入轨参数确定645

12.4.4 环月轨道设置653

12.5 利用STK生成火星探测器轨道数据655

12.5.1 任务基本参数设置655

12.5.2 地火转移轨道的数据生成657

12.5.3 环火轨道的数据生成658

12.5.4 火星探测器数据文件的输出660

12.6 小结660

参考文献660

第13章 天文导航中星图预处理及匹配识别技术661

13.1 引言661

13.2 星图的预处理662

13.2.1 星图图像的去噪方法662

13.2.2 星图图像的畸变校正方法667

13.2.3 基于局部熵的星体位置确定方法671

13.2.4 半物理仿真实验及结果分析673

13.3 星图的匹配识别678

13.3.1 基于Delaunay剖分算法的快速星图匹配识别方法679

13.3.2 基于新型Hausdorff距离的星图识别方法685

13.3.3 基于新型Hausdorff距离的改进星图识别方法692

13.3.4 基于蚁群聚类算法的快速星图识别方法696

13.4 星体的质心提取704

13.4.1 基于高斯曲面拟合的星体质心提取方法704

13.4.2 半物理仿真试验及结果分析707

13.5 小结710

参考文献711

第14章 天文导航半物理仿真系统713

14.1 引言713

14.2 天文导航半物理仿真系统的总体设计714

14.2.1 系统组成714

14.2.2 系统工作流程714

14.3 系统各模块的设计716

14.3.1 轨道发生器的设计716

14.3.2 星模拟器的设计716

14.3.3 星敏感器模拟器的设计717

14.3.4 导航计算机的设计720

14.4 星图模拟系统实现721

14.4.1 星图模拟的原理721

14.4.2 随机视场中观测星的选取及其验证方法725

14.4.3 星图的模拟及软件实现730

14.5 天文导航半物理仿真系统的标定及实验734

14.5.1 系统硬件设备的标定734

14.5.2 系统软件平台的实现737

14.5.3 动静态试验及结果分析738

14.6 基于半物理仿真系统的天文导航试验740

14.7 小结746

参考文献746

第15章 航天器天文导航的展望748

15.1 近地航天器自主天文导航的发展趋势748

15.2 深空探测器自主天文导航的发展趋势749

15.3 结束语751

参考文献752