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第1章 绪论 1

1.1深空探测器的自主导航技术 2

1.1.1深空探测器在近地停泊轨道上的自主导航技术 3

1.1.2深空探测器在转移轨道上的自主导航技术 5

1.1.3深空探测漫游车的自主导航技术 6

1.2深空探测器自主天文导航方法 9

1.2.1深空探测器在近地停泊轨道上的自主天文导航方法 9

1.2.2深空探测器在转移轨道上的自主天文导航方法 11

1.2.3深空探测漫游车的自主天文导航方法 18

1.3本章小结 21

参考文献 21

第2章 深空探测器自主天文导航的基本原理 26

2.1引言 26

2.2深空探测器自主天文导航的原理简介 26

2.2.1近地停泊轨道上深空探测器自主天文导航的原理简介 26

2.2.2转移轨道上深空探测器自主天文导航的原理简介 27

2.2.3深空探测漫游车自主天文导航的原理简介 28

2.3常用坐标系 29

2.3.1惯性坐标系 29

2.3.2轨道坐标系 30

2.3.3星体坐标系 30

2.3.4地理坐标系 31

2.4深空探测器的轨道运动 31

2.4.1多体问题和限制性三体问题 32

2.4.2地月飞行的轨道运动 33

2.4.3行星际飞行的轨道运动 35

2.4.4转移轨道的类型 36

2.5深空探测器的姿态运动 39

2.5.1方向余弦、欧拉角和四元数 39

2.5.2方向余弦、欧拉角和四元数之间的转换关系 43

2.5.3姿态运动学方程 46

2.5.4姿态动力学方程 47

2.6深空探测器自主导航的滤波方法 49

2.6.1扩展卡尔曼滤波 49

2.6.2 Unscented卡尔曼滤波 50

2.6.3粒子滤波 51

2.6.4多模型滤波 55

2.7本章小结 58

参考文献 58

第3章 近地停泊轨道上深空探测器的自主天文导航方法 62

3.1引言 62

3.2近地停泊轨道上深空探测器自主天文导航系统模型的建立 63

3.2.1近地停泊轨道上深空探测器的轨道动力学精确建模 64

3.2.2直接敏感地平的自主天文导航方法 70

3.2.3间接敏感地平的自主天文导航方法 72

3.3一种基于UPF的直接敏感地平和间接敏感地平相结合的天文导航方法 76

3.3.1系统模型的建立 76

3.3.2基于信息融合的UPF滤波方法 77

3.3.3仿真结果与分析 78

3.4一种天文／Doppler组合导航新方法 79

3.4.1系统模型的建立 80

3.4.2基于UPF的组合导航方法 80

3.4.3仿真结果与分析 81

3.5本章小结 83

参考文献 84

第4章 近地停泊轨道上深空探测器自主天文导航系统的性能分析 86

4.1引言 86

4.2滤波方法的选择及优化 86

4.2.1三种方法在不同滤波周期下的导航性能比较 87

4.2.2三种方法在不同噪声分布下的导航性能比较 88

4.2.3三种方法的计算量比较 90

4.3 UPF中UKF参数的选择及优化方法 91

4.3.1参数τ的选择 91

4.3.2参数Q的选择 93

4.3.3参数R的选择 95

4.4粒子数和重采样方法的选择及优化方法 97

4.4.1粒子个数的选择 97

4.4.2重采样方法的选择 99

4.5星敏感器最佳安装方位的确定及可观测分析 102

4.5.1基于PWCS和混合条件数的自主天文导航可观测度分析方法 102

4.5.2星敏感器安装坐标系的建立 105

4.5.3星敏感器的最佳安装方位 105

4.6本章小结 109

参考文献 109

第5章 月球探测器的自主天文导航方法 111

5.1引言 111

5.2转移轨道上月球探测器自主天文导航的GAUPF新方法 113

5.2.1系统模型的建立 113

5.2.2 GAUPF方法 115

5.2.3计算机仿真 116

5.3转移轨道上月球探测器的天文／Doppler组合导航方法 118

5.3.1系统模型的建立 118

5.3.2基于UPF的组合导航方法 119

5.3.3计算机仿真 119

5.4月球卫星的自主天文导航方法 121

5.4.1月球卫星的轨道动力学精确建模 121

5.4.2基于轨道动力学和姿态运动学的月球卫星自主天文导航的状态模型 122

5.4.3月球卫星自主天文导航的量测模型 123

5.4.4基于四元数-广义Rodrigues参数的姿态和姿态误差联合估计方法 125

5.4.5计算机仿真 128

5.5基于天文和陆标观测的月球卫星自主导航方法 130

5.5.1天文／陆标导航系统模型的建立 130

5.5.2计算机仿真 131

5.6本章小结 134

参考文献 134

第6章 火星及其他行星际探测器的自主天文导航方法 137

6.1引言 137

6.2地火转移轨道深空探测器的自主天文导航方法 138

6.2.1地火转移轨道深空探测器轨道动力学模型的建立 138

6.2.2地火转移轨道深空探测器天文量测模型的建立 139

6.2.3计算机仿真 142

6.3一种改进的MMUPF方法及其在火星探测器自主天文导航中的应用 143

6.3.1系统模型的建立 143

6.3.2 MMUPF方法 145

6.3.3计算机仿真 146

6.4借力飞行轨道上深空探测器的自主天文导航新方法 147

6.4.1深空探测器的纯天文几何解析方法 147

6.4.2纯天文几何解析和滤波方法相结合的自主天文导航方法 151

6.4.3计算机仿真 154

6.5基于X射线脉冲星的深空探测器自主天文导航方法 156

6.5.1脉冲星及脉冲星导航的发展 156

6.5.2基于X射线脉冲星的深空探测器自主天文导航基本原理 158

6.5.3位置增量法 160

6.5.4滤波方法的模型建立 161

6.5.5计算机仿真 162

6.6本章小结 164

参考文献 164

第7章 行星探测漫游车的自主天文导航方法 166

7.1引言 166

7.2行星探测漫游车自主天文导航系统模型的建立 167

7.2.1漫游车自主天文导航的基本原理 167

7.2.2漫游车自主导航的高度差法 167

7.3基于UPF的月球车自主天文导航新方法 169

7.3.1漫游车运动模型的建立 169

7.3.2导航系统的数学模型 170

7.3.3计算机仿真 171

7.3.4误差分析 172

7.4基于ASUPF的月球车天文定位方法 173

7.4.1基于ASUPF的月球车天文定位方法的系统模型 173

7.4.2计算机仿真 174

7.5一种改进的月球车自主天文定位定向方法 177

7.5.1系统模型的建立 177

7.5.2基于UPF的定位定姿方法 178

7.5.3计算机仿真 178

7.6月球车的惯性／天文组合导航新方法 181

7.6.1惯性／天文组合导航系统的数学模型 182

7.6.2基于UPF的联邦滤波器设计 184

7.6.3计算机仿真 185

7.7火星车的特殊天文导航方法 189

7.7.1火星车的特殊天文导航方法的原理 189

7.7.2系统模型的建立 189

7.7.3计算机仿真 190

7.8本章小结 192

参考文献 193

第8章 深空探测器自主天文导航的计算机仿真实验和半物理仿真实验 195

8.1引言 195

8.2利用STK的天文导航计算机仿真数据的生成方法 195

8.2.1利用STK生成近地停泊轨道深空探测器轨道和姿态数据 195

8.2.2利用STK生成月球探测器轨道数据 203

8.2.3利用STK生成火星探测器轨道数据 218

8.3利用STK的天文导航计算机仿真实验 223

8.4天文导航半物理仿真系统及半物理仿真数据的产生 224

8.4.1系统组成 224

8.4.2系统工作流程 225

8.5利用天文导航半物理仿真系统的半物理仿真实验 225

8.6本章小结 230

参考文献 230

第9章 总结与展望 231

9.1天文导航算法 231

9.2天文导航系统 232

9.3未来深空探测工程的需求牵引 234

参考文献 235