天文导航原理及应用PDF电子书下载

第1部分 天文导航的基础知识第1章 绪论1.1 引言 3

1.2　天文导航技术的特点和应用 3

1.3　天文导航的历史和发展现状 4

1.3.1　天文导航的历史 4

1.3.2　天文导航发展现状 6

思考题与习题 9

第2章　球面几何和球面三角 10

2.1 引言 10

2.2　球面三角 10

2.2.1　球面几何 10

2.2.2　球面三角形 12

2.3　导航三角形 16

2.3.1　导航三角形 16

2.3.2　分割导航三角形 17

思考题与习题 19

第3章　导航坐标系 20

3.1 引言 20

3.2　天球坐标系 20

3.2.1　天球上基本点、线、圆 20

3.2.2　赤道坐标系 21

3.2.3　地平坐标系 22

3.2.4　黄道坐标系 23

3.3　空间坐标系 24

3.3.1　惯性坐标系 24

3.3.2　地球固联坐标系 24

3.3.3　地理坐标系 25

3.3.4　载体坐标系 25

思考题与习题 26

第4章　时间系统 27

4.1 引言 27

4.2　时间的基本概念 27

4.2.1　时间在物理学上的解释 27

4.2.2　时间在哲学上的解释 28

4.2.3　时间计量工具的发展 28

4.3　恒星日、太阳日和平阳日 29

4.3.1　恒星日和太阳日 29

4.3.2　平阳日 29

4.3.3　时差 30

4.4　地方时和区时 30

4.4.1　地方时、世界时及其相互关系 30

4.4.2 区时 31

4.4.3 日界线 31

4.5　各种时间系统 32

4.5.1　世界时系统 32

4.5.2　历书时系统 33

4.5.3　原子时系统 34

4.6　历法的基本概念 34

4.6.1　太阴历 34

4.6.2　太阳历 35

4.6.3 阴阳历 35

思考题与习题 35

第5章　导航天文学 36

5.1 引言 36

5.2　宇宙和天体 36

5.2.1　宇宙 36

5.2.2　天体 38

5.2.3　太阳系 39

5.3　天体视运动 40

5.3.1　天体周日视运动 40

5.3.2　太阳周年视运动 43

5.3.3　月球视运动 46

5.3.4　行星视运动 48

5.3.5　岁差和章动 50

5.3.6　光行差 51

5.4　天体的辨认和识别 51

5.4.1 星座、星名 51

5.4.2　星图、星表 51

5.4.3　常用恒星的识别 53

思考题与习题 57

参考文献 58

第2部分 舰船航海中的天文导航技术第6章 天文航海中的测量仪器6.1 引言 61

6.2　航海六分仪 61

6.2.1　千分尺鼓轮六分仪 61

6.2.2　游标尺六分仪 65

6.2.3　人造地平六分仪 66

6.3　天文钟 67

6.3.1　机械天文钟 67

6.3.2　石英天文钟 67

6.4　本章小结 67

思考题与习题 68

第7章　舰船天文定位的基本原理 69

7.1 引言 69

7.2　航海中的天文导航基本原理 69

7.3　精确天体高度的获得 71

7.3.1　一般天体的高度修正 71

7.3.2　月球的高度修正 75

7.4　天体投影点的位置和时间 76

7.4.1　天体投影点的坐标 76

7.4.2　导航和天文学中的时间测量 78

7.5　航海天文历 80

7.5.1　天文历简介 80

7.5.2　航海天文历的组成 81

7.5.3　航海天文历的使用 81

7.6　本章小结 82

思考题与习题 82

第8章　高度差法求舰位 83

8.1 引言 83

8.2　直接画天文位置圆求舰位法 83

8.3　萨姆纳法 85

8.4　高度差法 86

8.4.1　高度差法的理论基础 86

8.4.2　高度差法 90

8.5　解析高度差法 92

8.6　移动舰位的确定 93

8.7　组合不同性质位置线求舰位法 95

8.8　本章小结 95

思考题与习题 96

第9章 其他舰船天文定位方法 97

9.1 引言 97

9.2　利用北极星高度确定纬度 97

9.3　利用天体中天高度确定纬度 98

9.4　利用两个天体的观测高度确定纬度 99

9.5　利用天体的中天高度确定经度 101

9.6　本章小结 103

思考题与习题 103

参考文献 103

第3部分 空间飞行器的自主天文导航技术第10章 天文导航的天体敏感器10.1　引言 107

10.2　天体敏感器分类 107

10.3　恒星敏感器 107

10.3.1　恒星敏感器简介 107

10.3.2　恒星敏感器分类 108

10.3.3　恒星敏感器结构 109

10.4　太阳敏感器 111

10.4.1　太阳敏感器简介 111

10.4.2　太阳敏感器分类 111

10.4.3　太阳敏感器结构 112

10.5　地球敏感器 113

10.5.1　地球敏感器简介 113

10.5.2　地球敏感器分类 113

10.5.3　地球敏感器结构 115

10.6　其他天体敏感器 115

10.7　空间六分仪自主天文定位系统（SS-ANARS） 116

10.8　MANS自主天文导航系统 117

10.8.1　MANS自主导航系统原理 118

10.8.2　MANS自主导航系统结构 119

10.8.3　MANS自主导航系统特点 120

10.9　本章小结 120

思考题与习题 120

第11章　航天器轨道动力学方程及自主天文导航基本原理11.1　引言 121

11.2　航天器二体轨道和轨道要素 121

11.2.1　二体问题 121

11.2.2　6个积分和轨道要素 122

11.3　航天器轨道摄动 126

11.3.1　航天器轨道摄动方程 126

11.3.2　地球非球形引力摄动 129

11.3.3 日、月摄动 130

11.3.4　大气阻力摄动 131

11.3.5　太阳光压摄动 132

11.3.6　潮汐摄动 132

11.4　深空探测器的轨道运动 133

11.4.1　多体问题和限制性三体问题 133

11.4.2　地月飞行的轨道运动 135

11.5　航天器自主天文导航基本原理 137

11.5.1　航天器基于轨道动力学方程的天文导航基本原理 137

11.5.2　航天器纯天文几何解析方法基本原理 138

11.6　本章小结 139

思考题与习题 139

第12章 自主天文导航系统滤波方法12.1 引言 141

12.2　最优估计方法［13,14］ 141

12.2.1　估计和最优估计方法 141

12.2.2　最小方差估计 142

12.2.3　极大似然估计 143

12.2.4　极大验后估计 144

12.2.5　贝叶斯估计 145

12.2.6　线性最小方差估计 146

12.2.7　最小二乘估计 148

12.2.8　几种最优估计方法的比较及其关系 150

12.3　卡尔曼滤波 151

12.3.1　线性系统卡尔曼滤波方法 151

12.3.2　扩展卡尔曼滤波方法 156

12.3.3 Unscented卡尔曼滤波方法 160

12.4　粒子滤波［15］ 162

12.4.1　先进的粒子滤波方法 162

12.4.2　粒子滤波的采样方法 162

12.4.3　标准粒子滤波算法 164

12.4.4 Unscented粒子滤波算法 166

思考题与习题 167

第13章 地球卫星直接敏感地平的自主天文导航方法13.1　引言 168

13.2　航天器自主天文导航技术 168

13.2.1 航天器自主导航的意义 168

13.2.2　地球卫星自主天文导航技术概述 169

13.3　地球卫星直接敏感地平自主天文导航原理 169

13.4　地球卫星直接敏感地平自主天文导航系统的数学模型 170

13.4.1　系统的状态方程 170

13.4.2　系统的量测方程 172

13.5　地球卫星直接敏感地平天文导航方法性能分析 176

13.5.1　不同轨道动力学方程对导航性能的影响 177

13.5.2　滤波周期对导航性能的影响 179

13.5.3　观测量对导航性能的影响 181

13.5.4　星敏感器安装方位对导航性能的影响 183

13.6　本章小结 184

思考题与习题 184

第14章　地球卫星间接敏感地平的自主天文导航方法14.1 引言 185

14.2　星光折射间接敏感地平天文导航原理 185

14.2.1　星光大气折射原理 185

14.2.2　星光折射高度与折射角、大气密度之间的关系 188

14.3　地球卫星间接敏感地平的自主天文导航系统 190

14.3.1　系统的状态方程 190

14.3.2　系统的量测方程 191

14.3.3　计算机仿真 192

14.4 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 193

14.4.1　基于信息融合的自主天文导航方法原理 193

14.4.2　基于信息融合的自适应Unscented卡尔曼滤波方法 194

14.4.3　计算机仿真 195

14.5　星光折射间接敏感地平的自主天文导航精度分析 197

14.5.1　量测信息对导航精度的影响分析 197

14.5.2　轨道参数对导航精度的影响分析 200

14.6　本章小结 203

思考题与习题 204

第15章 深空探测器的自主天文导航原理与方法15.1　引言 205

15.1.1　深空探测的发展 205

15.1.2　天文导航对深空探测的重要性［44］ 207

15.2　月球探测器在转移轨道上的天文导航方法 208

15.2.1 月球探测器在转移轨道上的轨道动力学方程 209

15.2.2　基于星光角距的自主天文导航方法 209

15.2.3　基于太阳、地球矢量方向的自主天文导航方法 211

15.2.4　月球探测器组合导航方法 213

15.3　月球卫星的自主天文导航方法 215

15.3.1　月球卫星的轨道动力学方程 216

15.3.2　月球卫星的量测方程 217

15.4　深空探测器纯天文几何解析定位方法 219

15.4.1　纯天文定位的基本原理 219

15.4.2　纯天文自主定位的观测量及量测方程 219

15.4.3　纯天文自主定位的几何解析法 222

15.5　本章小结 227

思考题与习题 227

第16章　天文导航半物理仿真系统16.1 引言 228

16.2　天文导航半物理仿真系统的总体设计 228

16.2.1　系统组成 228

16.2.2　系统工作流程 229

16.3　系统各模块的设计 229

16.3.1　轨道发生器的设计 229

16.3.2　星模拟器的设计 231

16.3.3　星敏感器模拟器的设计 231

16.3.4　导航计算机的设计 232

16.4　星图模拟系统实现 233

16.4.1　星图模拟的原理 233

16.4.2　随机视场中观测星的选取及其验证方法 236

16.4.3　星图的模拟及软件实现 240

16.5　天文导航半物理仿真系统的标定及试验 243

16.5.1　系统硬件设备的标定 243

16.5.2　系统软件平台的实现 246

16.5.3　动静态试验及结果分析 247

16.6　基于半物理仿真系统的天文导航试验 249

16.7　本章小结 255

思考题与习题 255

参考文献 255

第4部分 弹道导弹和飞机中的惯性／天文组合导航技术第17章 惯性／天文组合导航原理与方法17.1 引言 261

17.2　惯性／天文组合导航系统的工作模式 262

17.3　惯性／天文组合导航系统的组合模式 263

17.4　惯性／天文组合导航基本原理 264

17.4.1　星敏感器的测姿原理 264

17.4.2　天文量测信息修正惯性器件误差原理 266

17.4.3 利用惯性／天文组合导航系统修正弹道导弹发射点位置误差的原理 267

17.4.4 利用误差状态转移矩阵估计弹道导弹主动段导航误差 267

17.5　惯性／天文组合导航系统的建模方法 269

17.5.1　状态方程 269

17.5.2　量测方程 274

17.6　本章小结 277

思考题与习题 277

第18章 惯性／天文组合导航半物理仿真系统18.1 引言 279

18.2　惯性／天文组合导航半物理仿真系统的子系统 279

18.2.1　惯性导航子系统 279

18.2.2　天文导航子系统 283

18.3　惯性／天文组合导航半物理仿真系统的总体设计 286

18.4　惯性／天文组合导航半物理仿真系统的软硬件实现 287

18.5　惯性／天文组合导航用轨迹发生器 290

18.5.1　弹道导弹轨迹发生器 290

18.5.2　飞机轨迹发生器 295

18.6　惯性／天文组合导航半物理仿真系统性能分析 299

18.6.1　星敏感器的精度对组合导航性能的影响 299

18.6.2　滤波周期对组合导航性能的影响 300

18.6.3　不同初始失准角对组合导航性能的影响 303

18.7　本章小结 305

思考题与习题 305

第19章 惯性／天文组合导航系统的应用19.1　引言 306

19.2　组合导航系统在弹道导弹中的应用 306

19.2.1 弹道导弹SINS子系统仿真试验 307

19.2.2 弹道导弹SINS/CNS组合导航系统半物理仿真 307

19.3　组合导航系统在飞机中的应用 308

19.3.1　机载SINS子系统仿真试验 309

19.3.2　机载SINS/CNS组合导航系统半物理仿真 310

19.4　组合导航应用中的关键技术 311

19.4.1　递归交互式多模型自适应卡尔曼滤波方法 311

19.4.2　重力异常对组合导航精度的分析与补偿方法 315

19.4.3　基于可观测度分析的降维滤波器设计方法 318

19.4.4　一种状态突变带渐消因子的KF方法 321

19.5　本章小结 322

思考题与习题 323

参考文献 323

第5部分　展望 329

第20章 天文导航技术的展望 329

20.1　舰船天文导航的发展趋势 329

20.2　航天器天文导航的发展趋势 331

20.3　惯性／天文组合导航技术的发展趋势 337

20.4　结束语 338

参考文献 339

附录 343

附表1　航海天文历 343

附表2　北极星表 349

附表3　修正项表 351