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第1章 天文与深空导航的基础知识 1

1.1 绪论 1

1.1.1 引言 1

1.1.2 天文导航技术的特点和应用 1

1.1.3 天文导航的历史和发展现状 3

1.2 球面几何和球面三角形 8

1.2.1 引言 8

1.2.2 球面三角形 8

1.2.3 导航三角形 16

1.3 导航坐标系 19

1.3.1 引言 19

1.3.2 天球坐标系 20

1.3.3 空间坐标系 25

1.3.4 火星坐标系统 30

1.3.5 地-火坐标系的转换 32

1.3.6 月球坐标系统 34

1.3.7 地-月坐标系的转换 44

1.3.8 银道坐标系 47

1.4 时间系统 49

1.4.1 引言 49

1.4.2 时间的基本概念 49

1.4.3 时间在物理学上的解释 50

1.4.4 时间在哲学上的解释 50

1.4.5 时间计量工具的发展 51

1.4.6 恒星日、太阳日和平太阳日 51

1.4.7 地方时和区时 53

1.4.8 各种时间系统 55

1.4.9 脉冲星时间 57

1.4.10 历法的基本概念 62

1.5 导航天文学 63

1.5.1 引言 63

1.5.2 宇宙和天体 63

1.5.3 天体视运动 67

1.5.4 天体的辨认和识别 78

第2章 天文导航的天体敏感器 87

2.1 引言 87

2.2 天体敏感器分类 87

2.3 恒星敏感器 88

2.3.1 恒星敏感器简介 88

2.3.2 恒星敏感器分类 89

2.3.3 恒星敏感器结构 89

2.3.4 恒星敏感器的工作原理 91

2.4 太阳敏感器 93

2.4.1 太阳敏感器简介 93

2.4.2 太阳敏感器分类 93

2.4.3 太阳敏感器结构 94

2.4.4 太阳敏感器的工作原理 95

2.5 地球敏感器 97

2.5.1 地球敏感器简介 97

2.5.2 地球敏感器分类 97

2.5.3 地球敏感器结构 99

2.6 其他天体敏感器 99

2.7 自主天文导航敏感器系统 100

2.7.1 空间六分仪自主天文定位系统（SS-ANARS） 100

2.7.2 MANS自主天文导航系统 101

2.8 本章小结 103

第3章 低轨地球卫星自主天文导航基本原理 105

3.1 基于轨道动力学方程的天文导航基本原理概述 105

3.1.1 直接敏感地平自主天文导航方法的基本原理 105

3.1.2 利用星光折射间接敏感地平的自主天文导航基本原理 105

3.1.3 航天器纯天文几何解析方法基本原理 106

3.2 地球卫星直接敏感地平的自主天文导航 107

3.2.1 地球卫星直接敏感地平自主天文导航原理 108

3.2.2 地球卫星直接敏感地平天文导航方法性能分析 115

3.3 地球卫星间接敏感地平的自主天文导航方法 122

3.3.1 星光折射间接敏感地平天文导航原理 122

3.3.2 地球卫星间接敏感地平的自主天文导航系统 127

3.3.3 星光折射间接敏感地平的自主天文导航精度分析 130

3.3.4 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 137

3.4 本章小结 140

第4章 深空探测器的自主天文导航原理与方法 144

4.1 引言 144

4.1.1 深空探测的发展 144

4.1.2 天文导航对深空探测的重要性 146

4.2 月球探测器在转移轨道上的天文导航方法 147

4.2.1 月球探测器在转移轨道上的轨道动力学方程 148

4.2.2 基于星光角距的自主天文导航方法 148

4.2.3 基于太阳、地球矢量方向的自主天文导航方法 150

4.2.4 月球探测器组合导航方法 152

4.3 月球卫星的自主天文导航方法 154

4.3.1 月球卫星的轨道动力学方程 155

4.3.2 月球卫星的量测方程 156

4.4 深空探测器纯天文几何解析定位方法 158

4.4.1 纯天文定位的基本原理 158

4.4.2 纯天文自主定位的观测量及量测方程 158

4.4.3 纯天文自主定位的几何解析法 161

4.5 本章小结 167

第5章 VLBI用于深空探测器导航的原理及方法 169

5.1 引言 169

5.1.1 射电窗口与射电望远镜 169

5.1.2 射电干涉与甚长基线干涉测量 170

5.2 VLBI测量原理与应用 172

5.2.1 VLBI几何原理 172

5.2.2 时延观测量数学模型 173

5.2.3 VLBI对深空探测器精密定位 175

5.3 差分VLBI原理与应用 178

5.3.1 差分VLBI对探测器定位原理 178

5.3.2 差分VLBI观测模型 179

5.3.3 差分VLBI在深空探测中的应用 180

5.4 空间VLBI原理与应用 181

5.4.1 空间VLBI简介 181

5.4.2 空间VLBI时延观测量原理与数学模型 183

5.4.3 空间VLBI的应用 186

5.5 同波束VLBI （SBI）原理及在深空探测中的应用 187

5.5.1 同波束VLBI简介 187

5.5.2 同波束相位参考成图测量模型 188

5.5.3 影响因素分析 189

5.5.4 “玉兔”号巡视器相对定位结果 190

5.6 本章小结 193

第6章 USB技术用于深空探测器定位原理及方法 199

6.1 USB概念及发展 199

6.2 USB技术用于探测器定轨的原理 199

6.2.1 测距技术 200

6.2.2 测速技术 212

6.3 联合测轨VLBI、USB和空间VLBI对CE探测器的精密定轨分析 214

6.3.1 观测数据模拟 214

6.3.2 模拟数据定轨解算 219

6.3.3 ERP不参入估计时的联合数据定轨分析 221

6.3.4 ERP参入估计时的联合数据定轨分析 223

6.4 本章小结 226

第7章 脉冲星测量技术及其在深空探测器自主导航中的应用 229

7.1 脉冲星的发现 229

7.2 脉冲星导航技术研究历程 231

7.2.1 国外研究进展 232

7.2.2 国内研究进展 237

7.2.3 总结与评述 240

7.3 X射线脉冲星自主导航定位原理与方法 242

7.3.1 X射线脉冲星导航的基本原理 242

7.3.2 X射线脉冲星导航系统组成及实现流程 243

7.3.3 X射线脉冲星导航方式和观测量 246

7.3.4 X射线光子到达时间转换的数学模型 251

7.4 基于X射线脉冲星的航天器轨道测量方程 253

7.4.1 脉冲相位测量方程 253

7.4.2 航天器轨道测量模型 254

7.5 X射线脉冲星导航的模糊度解算方法 259

7.5.1 脉冲星相位整周模糊度的概念 259

7.5.2 脉冲相位整周模糊度的特征 260

7.5.3 模糊度搜索空间 261

7.6 脉冲星导航的误差来源分析 261

7.6.1 脉冲星特征参数与计时模型误差 261

7.6.2 时间转换模型误差 263

7.6.3 太阳系行星参数误差 263

7.6.4 其他误差 264

7.7 基于X射线脉冲星的航天器自主导航算法 264

7.7.1 经典Kalman滤波算法 265

7.7.2 Kalman滤波在X射线脉冲星自主导航中的应用举例 272

7.8 脉冲星在深空探测中的应用 274

7.8.1 用于深空探测器导航的可行性分析 274

7.8.2 脉冲星用于授时方面的可行性分析 275

7.9 美国的X射线脉冲星导航计划 276

第8章 国内外深空探测计划 279

8.1 美国深空探测发展规划概况 279

8.2 俄罗斯深空探测发展规划概况 280

8.3 欧洲深空探测发展规划概况 281

8.4 日本深空探测发展规划 282

8.5 国外各类深空探测计划的最新进展 282

8.6 中国探月工程（“嫦娥”工程） 287

附录 人类月球探测大事记 293