第1章 绪论 1
1.1 航天器自主导航技术 3
1.1.1 惯性自主导航 3
1.1.2 光学自主导航 12
1.1.3 脉冲星自主导航 15
1.2 多源信息融合技术 20
1.2.1 多源信息融合的定义 20
1.2.2 多源信息融合的模型 21
1.2.3 多源信息融合的分类 22
1.2.4 多源信息融合的方法 23
1.3 航天器多源信息融合自主导航技术 25
1.3.1 研究应用与进展 25
1.3.2 必要性和优势 26
1.4 本书内容概要 28
参考文献 31
第2章 估计理论 39
2.1 基本概念 40
2.2 几种常用的最优估计方法 42
2.2.1 最小均方误差估计 42
2.2.2 极大似然估计 43
2.2.3 极大后验估计 43
2.2.4 加权最小二乘估计 44
2.3 估计算法的解析形式 45
2.3.1 线性估计算法 45
2.3.2 联合高斯分布的MMSE估计算法 47
2.3.3 线性观测对应的估计算法 47
2.4 动态系统中的状态估计算法 51
2.4.1 递归贝叶斯估计算法 51
2.4.2 卡尔曼滤波算法 53
2.4.3 扩展卡尔曼滤波算法 57
2.4.4 无迹卡尔曼滤波算法 59
2.4.5 约束卡尔曼滤波 66
2.5 小结 74
参考文献 75
第3章 融合算法 77
3.1 融合结构 78
3.2 线性融合模型和算法 81
3.2.1 线性统一模型 81
3.2.2 线性统一模型下的融合算法 82
3.2.3 分布式融合中的协方差交叉算法 85
3.3 动态系统的集中式融合卡尔曼滤波 89
3.3.1 并行滤波 90
3.3.2 序贯滤波 92
3.3.3 数据压缩滤波 92
3.4 动态系统的分布式融合卡尔曼滤波 94
3.4.1 标准分布式卡尔曼滤波 94
3.4.2 协方差交叉算法 97
3.4.3 联邦滤波算法 98
3.5 小结 107
参考文献 108
第4章 性能分析 111
4.1 线性系统的可观性 112
4.1.1 线性定常系统的可观性 112
4.1.2 线性时变系统的可观性 115
4.2 非线性系统的可观性 117
4.2.1 非线性系统可观性的定义及判据 117
4.2.2 基于奇异值分解的可观性分析 121
4.3 自主导航系统的可观度 123
4.3.1 自主导航系统可观度的分析 124
4.3.2 状态可观度分析 127
4.4 蒙特卡洛方法 130
4.5 线性协方差分析技术 132
4.6 小结 135
参考文献 136
第5章 时空系统 138
5.1 时间系统 139
5.1.1 时间系统的定义 139
5.1.2 儒略日的定义及转换 141
5.2 参考坐标系及坐标系变换 143
5.2.1 参考坐标系的定义 143
5.2.2 坐标系之间的变换 146
5.3 导航天体的星历 148
5.3.1 高精度天体星历计算 148
5.3.2 简单天体星历计算 151
5.4 小结 153
参考文献 154
第6章 动力学模型与环境模型 155
6.1 轨道动力学模型 156
6.1.1 轨道摄动模型 156
6.1.2 轨道动力学方程表达形式 167
6.1.3 航天器轨道动力学模型 168
6.2 姿态运动学模型 170
6.2.1 姿态的描述 170
6.2.2 姿态运动学方程 178
6.3 火星环境模型 182
6.3.1 火星椭球模型 182
6.3.2 火星引力场模型 183
6.4 小行星环境模型 184
6.4.1 小行星三维模型 184
6.4.2 小行星引力场模型 185
6.5 小结 186
参考文献 187
第7章 惯性自主导航技术 189
7.1 测量方程 191
7.1.1 陀螺测量方程 191
7.1.2 加速度计测量方程 192
7.2 捷联式惯性导航的微分方程 193
7.3 捷联式惯性导航的外推方程 195
7.3.1 惯性姿态外推方程 195
7.3.2 惯性速度外推方程 197
7.3.3 惯性位置外推方程 198
7.4 圆锥和划桨效应补偿 199
7.4.1 圆锥效应补偿 199
7.4.2 划桨效应补偿 201
7.5 捷联式惯性导航的误差模型 203
7.6 惯性器件标定及误差补偿 204
7.6.1 陀螺误差的标定算法 205
7.6.2 标定算法的可观性分析 207
7.6.3 分层滤波策略 208
7.7 仿真应用实例 210
7.7.1 陀螺在轨标定 210
7.7.2 基于惯性测量单元的月球软着陆自主导航 213
7.8 小结 216
参考文献 217
第8章 光学自主导航技术 218
8.1 光学自主导航原理 220
8.2 光学成像敏感器 223
8.3 备选导航路标的选取标准 226
8.3.1 导航路标为自然天体 226
8.3.2 导航路标为自然天体表面的特征点 231
8.4 光学自主导航测量方程 233
8.4.1 基于大天体视半径信息的测量方程 233
8.4.2 基于视线方向信息的测量方程 234
8.5 基于几何可观性分析的导航路标规划 240
8.5.1 几何可观性分析 240
8.5.2 最优导航路标规划 243
8.6 导航滤波算法 245
8.6.1 批处理滤波算法 246
8.6.2 卡尔曼滤波算法 249
8.7 仿真应用实例 251
8.7.1 基于小行星观测的深空转移段自主导航 251
8.7.2 基于行星卫星和行星观测的深空接近段自主导航 259
8.7.3 基于行星卫星观测的深空环绕段自主导航 267
8.8 小结 270
参考文献 271
第9章 脉冲星自主导航技术 274
9.1 基本概念 276
9.1.1 脉冲星自主导航的基本原理 276
9.1.2 脉冲星的天文概念 278
9.1.3 X射线脉冲星自主导航及其优势 281
9.1.4 脉冲星自主导航的方案与流程 282
9.2 脉冲星自主导航的关键技术 285
9.2.1 光子探测技术 285
9.2.2 光子TOA的时间尺度转换 286
9.2.3 光子TOA的空间尺度转换 288
9.2.4 脉冲轮廓的生成 291
9.2.5 脉冲轮廓对比 293
9.2.6 脉冲星计时模型 293
9.3 脉冲星自主导航的误差源 295
9.3.1 光子探测器时间分辨率 295
9.3.2 星钟偏差 295
9.3.3 光子TOA的时间尺度转换模型误差 296
9.3.4 光子TOA的空间尺度转换模型误差 296
9.3.5 光子TOA测量误差 297
9.4 备选导航脉冲星的选取 299
9.4.1 选取标准 299
9.4.2 选星结果 300
9.5 测量方程 305
9.5.1 日心轨道段的测量方程 305
9.5.2 目标天体飞行段的测量方程 307
9.6 导航算法 309
9.6.1 几何定轨算法 309
9.6.2 动力学定轨算法 310
9.7 基于可观性分析的导航脉冲星规划 312
9.7.1 导航脉冲星规划 312
9.7.2 规划结果 313
9.8 仿真应用实例 316
9.8.1 基于脉冲星观测的深空转移段自主导航 316
9.8.2 基于脉冲星观测的深空接近段自主导航 323
9.8.3 基于脉冲星观测的深空环绕段自主导航 327
9.9 小结 330
参考文献 331
第10章 光学与脉冲星融合自主导航技术 334
10.1 导航路标规划算法 336
10.1.1 基于几何可观性分析的导航路标规划算法 336
10.1.2 基于动态可观性分析的导航路标规划算法 340
10.2 自主导航滤波及系统误差校正 346
10.2.1 系统误差建模 346
10.2.2 单个子系统的导航滤波及误差校正 347
10.2.3 融合自主导航滤波及误差校正 348
10.3 仿真应用实例 351
10.3.1 基于小行星和脉冲星观测的深空转移段融合自主导航 351
10.3.2 基于大天体、大天体卫星和脉冲星观测的深空接近段融合自主导航 360
10.3.3 基于行星卫星和脉冲星观测的深空环绕段自主导航 363
10.4 小结 370
参考文献 371
第11章 惯性与测距测速/光学融合自主导航技术 373
11.1 软着陆飞行过程 375
11.2 软着陆自主导航系统 379
11.2.1 软着陆自主导航系统的组成和工作流程 379
11.2.2 惯性测量单元 380
11.2.3 测距敏感器和测速敏感器 381
11.2.4 光学成像敏感器 381
11.3 测量方程 383
11.3.1 测距测量方程 383
11.3.2 测速测量方程 384
11.3.3 基于图像的测量方程 384
11.4 可观性分析 385
11.4.1 IMU＋测距测速修正的自主导航 385
11.4.2 IMU＋图像修正的自主导航 388
11.5 融合自主导航方法 391
11.5.1 IMU＋测距测速进行三维位置和速度修正 391
11.5.2 IMU＋测距测速进行高度和速度修正 392
11.5.3 IMU＋图像进行三维位置和速度修正 396
11.6 仿真应用实例 399
11.6.1 IMU＋测距测速修正的自主导航 399
11.6.2 IMU＋图像修正的自主导航 405
11.7 小结 410
参考文献 411
第12章 航天器多源信息融合自主导航仿真试验技术 413
12.1 光学与脉冲星融合自主导航试验技术 414
12.1.1 光学与脉冲星融合自主导航的试验方案 414
12.1.2 光学与脉冲星融合自主导航试验系统的组成 415
12.1.3 光学与脉冲星融合自主导航的试验实例 421
12.2 惯性与测距测速融合自主导航试验技术 426
12.2.1 惯性与测距测速融合自主导航的试验方案 426
12.2.2 惯性与测距测速融合自主导航试验系统组成 427
12.2.3 惯性与测距测速融合自主导航的试验实例 430
12.3 小结 435
参考文献 436
第13章 航天器多源信息融合自主导航技术的发展展望 437
13.1 航天器多源信息融合自主导航方案的发展 439
13.1.1 基于光学测量的融合自主导航 439
13.1.2 基于惯性测量的融合自主导航 440
13.1.3 基于深空导航星座的自主导航 440
13.2 信息融合技术的发展 442
13.2.1 融合结构的发展 442
13.2.2 滤波与融合算法的发展 443
13.3 融合自主导航敏感器的发展 446
13.4 结束语 448
参考文献 449
附录A 单位、常数及单位换算 451
A.1 单位和常数 452
A.2 单位换算 454
A.2.1 时间换算 454
A.2.2 角度换算 454
附录B 常用函数的导数 455
附录C 矩阵相关知识 458
C.1 矩阵迹运算 459
C.2 Kronecker算子 460
C.3 Vec算子 461
C.4 矩阵微积分 462
C.5 叉乘算法 466
C.6 矩阵相关定理 467
C.7 矩阵等式 468
C.8 矩阵不等式 469
附录D 概率相关知识 472
D.1 基本概念 473
D.1.1 概率公理 473
D.1.2 联合概率与条件概率 473
D.1.3 贝叶斯公式和全概率公式 474
D.1.4 独立与条件独立 474
D.2 一元随机变量 476
D.2.1 分布函数和密度函数 476
D.2.2 条件分布 477
D.2.3 均值和方差 477
D.3 二元随机变量 478
D.3.1 联合分布函数和分布密度 478
D.3.2 条件分布 479
D.3.3 协方差及两个随机变量的关系 479
D.4 随机向量 480
D.4.1 联合分布函数和分布密度 480
D.4.2 条件概率相关公式 481
D.4.3 单个随机向量的统计特性 481
D.4.4 两个随机向量的统计特性 482
D.5 高斯随机变量 483
D.5.1 定义 483
D.5.2 联合高斯分布 484
附录E 约束优化 487
附录F 光学成像敏感器的坐标变换 489
附录A-F的参考文献 491
附录G 缩略语 492
附录H 数学术语 497
索引 501