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