第1章 概论 1
1.1 航天器自主导航和天文导航概述 1
1.1.1 地球卫星的自主导航技术 2
1.1.2 深空探测器的自主天文导航技术 5
1.1.3 天文导航特点 10
1.2 坐标系 11
1.2.1 天球坐标系 11
1.2.2 地球坐标系 14
1.2.3 太阳坐标系 16
1.3 时间系统 17
1.3.1 世界时 17
1.3.2 恒星时 18
1.3.3 原子时 19
1.3.4 力学时 19
1.4 天体和天体运动 20
1.4.1 天体 20
1.4.2 天体运动 23
1.5 小结 25
参考文献 25
第2章 天文导航的天体敏感器 31
2.1 引言 31
2.2 天体敏感器分类 31
2.3 恒星敏感器 32
2.3.1 恒星敏感器简介 32
2.3.2 恒星敏感器分类 33
2.3.3 恒星敏感器设计 34
2.3.4 恒星敏感器误差分析与标定 41
2.4 太阳敏感器 42
2.4.1 太阳敏感器简介 42
2.4.2 太阳敏感器分类 42
2.4.3 太阳敏感器设计 43
2.4.4 太阳敏感器试验与标定 46
2.5 地球敏感器 47
2.5.1 地球敏感器简介 47
2.5.2 地球敏感器分类 48
2.5.3 地球敏感器设计 50
2.5.4 地球敏感器试验与标定 51
2.6 其他天体敏感器 51
2.7 空间六分仪自主天文定位系统 54
2.8 MANS自主天文导航系统 56
2.8.1 MANS自主导航系统原理 56
2.8.2 MANS自主导航系统硬件 57
2.8.3 MANS自主导航系统软件 58
2.8.4 MANS自主导航系统特点 59
2.9 X射线敏感器 59
2.10 光谱摄制仪 62
2.11 小结 65
参考文献 65
第3章 航天器轨道姿态动力学方程 68
3.1 引言 68
3.2 航天器二体轨道方程和轨道要素 68
3.2.1 二体问题 68
3.2.2 6个积分和轨道要素 70
3.3 航天器轨道摄动 74
3.3.1 航天器轨道摄动方程 74
3.3.2 地球非球形引力摄动 78
3.3.3 日、月摄动 78
3.3.4 大气阻力摄动 79
3.3.5 太阳光压摄动 80
3.3.6 潮汐摄动 81
3.4 深空探测器的轨道运动 82
3.4.1 多体问题和限制性三体问题 82
3.4.2 地月飞行的轨道动力学方程 84
3.4.3 行星际飞行的轨道动力学方程 87
3.5 航天器的姿态运动 88
3.5.1 方向余弦、欧拉角和四元数 88
3.5.2 方向余弦、欧拉角和四元数之间的转换关系 93
3.5.3 姿态运动学方程 96
3.5.4 姿态动力学方程 99
3.6 小结 101
参考文献 101
第4章 航天器天文导航系统的量测模型和滤波方法 102
4.1 引言 102
4.2 天文测角定位导航方法 102
4.2.1 天文测角导航的观测量及量测方程 103
4.2.2 天文测角导航的几何解析法 106
4.3 天文多普勒测速定位导航方法 111
4.3.1 天文多普勒测速导航的观测量及量测方程 112
4.3.2 天文多普勒测速的直接解算方法 113
4.4 天文测距定位导航方法 114
4.4.1 X射线脉冲星天文测距导航的观测量及量测方程 114
4.4.2 X射线脉冲星天文测距导航基本原理 118
4.5 最优估计方法 118
4.5.1 估计和最优估计方法 118
4.5.2 最小方差估计 120
4.5.3 极大似然估计 121
4.5.4 极大验后估计 122
4.5.5 贝叶斯估计 123
4.5.6 线性最小方差估计 124
4.5.7 最小二乘估计 126
4.5.8 几种最优估计方法的比较及其关系 128
4.6 线性和非线性系统的卡尔曼滤波方法 130
4.6.1 卡尔曼滤波 130
4.6.2 扩展卡尔曼滤波 133
4.6.3 Unscented卡尔曼滤波 138
4.6.4 Cubture卡尔曼滤波 139
4.7 有色噪声条件下的粒子滤波方法 141
4.7.1 粒子滤波的采样方法 142
4.7.2 标准粒子滤波算法 143
4.7.3 RJMCMC粒子滤波 145
4.7.4 Unscented粒子滤波算法 147
参考文献 148
第5章 地球卫星直接敏感地平的自主天文导航方法及其性能分析 151
5.1 引言 151
5.2 航天器自主天文导航的基本原理 151
5.2.1 航天器天文定位原理 152
5.2.2 基于轨道动力学的航天器自主天文导航滤波方法 153
5.2.3 地球卫星的自主天文导航方法 153
5.3 地球卫星直接敏感地平的自主天文导航方法 155
5.3.1 系统的状态方程 155
5.3.2 系统的量测方程 157
5.3.3 计算机仿真 159
5.4 滤波方法的选择及优化 161
5.4.1 三种方法在不同滤波周期下的导航性能比较 162
5.4.2 三种方法在不同噪声分布下的导航性能比较 164
5.4.3 三种方法的计算量比较 165
5.5 UPF中UKF参数的选择及优化方法 166
5.5.1 参数τ的选择 166
5.5.2 参数Q的选择 167
5.5.3 参数R的选择 171
5.6 粒子数和重采样方法的选择及优化方法 174
5.6.1 粒子个数的选择 174
5.6.2 重采样方法的选择 177
5.7 星敏感器最佳安装方位的确定及可观测分析 180
5.7.1 基于PWCS和混合条件数的自主天文导航可观测度分析方法 180
5.7.2 星敏感器安装坐标系的建立 184
5.7.3 星敏感器的最佳安装方位 185
5.8 小结 188
参考文献 189
第6章 地球卫星间接敏感地平的自主天文导航方法及其性能分析 191
6.1 引言 191
6.2 星光折射间接敏感地平天文导航原理 191
6.2.1 星光大气折射原理 191
6.2.2 星光折射高度与折射角、大气密度之间的关系 195
6.2.3 大气密度分布特性及星光折射特性建模 197
6.3 星光折射自主导航实现方案 216
6.3.1 星光折射自主导航的实现方案 216
6.3.2 星敏感器安装方案 217
6.3.3 折射星的识别和折射角的获取 218
6.4 以视高度作为观测量的星光折射自主导航方法 222
6.4.1 系统的状态方程 223
6.4.2 视高度的获取及其量测模型 223
6.4.3 视高度量测误差特性分析 224
6.4.4 以视高度作为观测量的导航方法仿真与分析 230
6.5 以折射角作为观测量的星光折射自主导航方法 235
6.5.1 基于星光折射角的量测模型建立 235
6.5.2 折射角作为观测量的导航方法计算机仿真 236
6.6 星光折射导航精度影响因素分析 238
6.6.1 与折射观测量相关的影响因素分析 238
6.6.2 量测模型对导航精度的影响分析 245
6.7 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 247
6.7.1 系统模型的建立 248
6.7.2 基于信息融合的UPF滤波方法 249
6.7.3 仿真结果与分析 250
6.8 小结 252
参考文献 252
第7章 深空探测器天文测角自主导航原理与方法 256
7.1 引言 256
7.1.1 深空探测器转移段天文导航的发展 256
7.1.2 深空探测器捕获段天文导航的发展 261
7.2 深空探测器天文测角自主导航系统模型 264
7.2.1 深空探测器天文测角自主导航原理 264
7.2.2 深空探测器天文测角自主导航系统轨道动力学模型 266
7.2.3 深空探测器天文测角自主导航系统量测模型 273
7.3 深空探测器天文测角自主导航误差分析与建模 277
7.3.1 深空探测器天文测角轨道动力学模型误差分析与建模 277
7.3.2 深空探测器行星捕获段量测模型误差分析 286
7.3.3 深空探测器天文测角系统误差仿真分析 292
7.4 基于几何平面约束和容积卡尔曼滤波的深空探测器天文测角导航方法 304
7.4.1 天文测角导航系统模型 304
7.4.2 天文测角导航系统的几何平面约束及其最优化 305
7.4.3 求积分卡尔曼和容积卡尔曼非线性滤波方法 308
7.4.4 计算机仿真 312
7.5 基于图像信息和天文/测控信息的深空探测器天文测角自主导航方法 316
7.5.1 星历误差建模及影响分析 317
7.5.2 基于火星和天文/测控信息的直接解析星历误差方法 322
7.5.3 基于目标天体图像星历误差估计修正的自主导航方法 326
7.5.4 基于天文/测控导航信息星历误差估计修正的导航方法 329
7.6 基于变尺度自适应滤波的深空探测器自主导航方法 343
7.6.1 行星捕获段的轨道积分不定系统误差 344
7.6.2 变尺度自适应UKF滤波方法 344
7.6.3 基于变尺度自适应滤波的自主导航系统模型 346
7.6.4 计算机仿真 349
7.7 基于自适应调节状态模型噪声方差阵的深空探测器天文测角自主导航方法 355
7.7.1 AQSCKF算法 356
7.7.2 计算机仿真 357
7.8 小结 365
参考文献 366
第8章 深空探测器脉冲星测距导航原理与方法 369
8.1 引言 369
8.1.1 深空探测轨道器脉冲星导航的发展 369
8.1.2 深空探测轨道器脉冲星导航方法概述 372
8.2 基于ASUKF的火星探测器脉冲星自主导航方法 375
8.2.1 基于ASUKF的天文测距自主导航系统模型 375
8.2.2 计算机仿真 377
8.3 存在脉冲星方向误差的脉冲星导航方法 381
8.3.1 引言 381
8.3.2 脉冲星方位误差引起的系统偏差 382
8.3.3 导航滤波器设计 386
8.3.4 可观测性分析 388
8.3.5 仿真结果 392
8.4 基于EKF-CMBSEE的X射线脉冲星导航 397
8.4.1 引言 397
8.4.2 小计算量的脉冲星信号多普勒补偿方法 398
8.4.3 X射线脉冲星导航测量模型 403
8.4.4 测量偏差与状态估计误差相关下的EKF 404
8.4.5 仿真结果 408
8.5 基于闭环EKF的脉冲星自主导航 414
8.5.1 脉冲星多普勒效应基本原理 414
8.5.2 闭环EKF 415
8.5.3 仿真试验 416
8.6 小结 417
参考文献 417
第9章 深空探测器天文测角/测距/测速组合导航方法 421
9.1 引言 421
9.2 基于天文测角和天文测距的自主导航方法 421
9.2.1 基于小行星和脉冲星观测的自主导航方法 421
9.2.2 基于火星和脉冲星观测的自主导航方法 433
9.3 基于天文测速和天文测距的深空探测器组合导航方法 439
9.3.1 基于星光多普勒的脉冲星脉冲到达时间补偿 439
9.3.2 面向编队飞行的脉冲星/星光多普勒组合导航 447
9.3.3 太阳光谱不稳定下的多普勒/脉冲星组合导航 465
9.3.4 基于星光多普勒预测的脉冲星导航方法 475
9.3.5 冗余组合导航中的导航恒星选择策略 483
9.4 天文测角/测速/测距组合导航的可观测性分析方法 495
9.4.1 可观测分析方法 495
9.4.2 基于FIM的自主导航系统的可观测理论分析 498
9.5 小结 505
参考文献 505
第10章 深空探测巡视器自主天文和组合导航原理与方法 508
10.1 引言 508
10.1.1 巡视段深空探测器自主导航的发展 508
10.1.2 巡视段深空探测器自主导航概述 510
10.2 巡视段探测器的自主天文导航方法 512
10.2.1 巡视段探测器自主天文导航的基本原理 512
10.2.2 基于UPF的月球车自主天文导航新方法 516
10.2.3 基于ASUPF的月球车天文定位方法 521
10.3 静止条件下的巡视器惯性/天文初始化方法 525
10.3.1 天文辅助惯性初始对准方法 526
10.3.2 基于惯性/天文组合的巡视器自主初始化方法 532
10.3.3 一种考虑加速度计误差修正的巡视器自主初始化方法 534
10.4 运动条件下的双模式惯性/天文组合导航方法 540
10.4.1 双模式惯性/天文组合导航方案 540
10.4.2 松耦合模式的系统模型 541
10.4.3 地面测试系统仿真验证 542
10.5 基于状态估值以相对运动参数误差为量测量的惯性/视觉导航方法 552
10.5.1 以相对运动参数误差为量测量的惯性/视觉导航原理 552
10.5.2 状态模型 553
10.5.3 量测模型 554
10.5.4 计算机仿真与实验 557
10.6 巡视器的惯性/天文/视觉组合导航方法 560
10.6.1 惯性/视觉/天文组合导航算法流程 562
10.6.2 惯性/视觉/天文组合导航系统模型 565
10.6.3 半物理仿真 568
10.7 小结 576
参考文献 576
第11章 航天器的惯性/天文组合导航原理与方法 585
11.1 引言 585
11.2 惯性/天文组合导航的基本原理 586
11.2.1 惯性导航的基本原理 586
11.2.2 惯性/天文组合导航系统工作模式 592
11.2.3 惯性/天文组合导航系统的组合模式 593
11.2.4 基于最优估计的惯性/天文组合导航基本原理 595
11.3 弹道导弹的惯性/天文组合导航方法 600
11.3.1 利用惯性/天文组合导航系统修正发射点位置误差的原理 600
11.3.2 利用误差状态转移矩阵估计导弹主动段导航误差 601
11.3.3 基于UKF的弹载惯性/天文组合导航方法 605
11.4 卫星的惯性/天文组合定姿方法 608
11.4.1 卫星定姿系统方程 608
11.4.2 一种基于EKF自适应分段信息融合的惯性/天文组合定姿方法 610
11.4.3 基于UKF的卫星最小参数姿态矩阵估计方法 614
11.4.4 一种基于QUEST＋UKF＋最优REQUEST的自适应分段信息融合定姿方法 619
11.5 小结 624
参考文献 625
第12章 基于STK的天文导航系统计算机仿真 627
12.1 引言 627
12.2 基于STK的天文导航计算机仿真方法 627
12.3 基于STK的地球卫星仿真数据生成 628
12.3.1 轨道参数设置 629
12.3.2 轨道数据文件的输出 632
12.3.3 航天器姿态数据生成 633
12.3.4 姿态数据文件的输出 639
12.4 利用STK生成月球探测器轨道数据 639
12.4.1 任务基本参数设置 639
12.4.2 月球探测器的任务控制序列（MCS）设置 643
12.4.3 月球探测器的入轨参数确定 645
12.4.4 环月轨道设置 653
12.5 利用STK生成火星探测器轨道数据 655
12.5.1 任务基本参数设置 655
12.5.2 地火转移轨道的数据生成 657
12.5.3 环火轨道的数据生成 658
12.5.4 火星探测器数据文件的输出 660
12.6 小结 660
参考文献 660
第13章 天文导航中星图预处理及匹配识别技术 661
13.1 引言 661
13.2 星图的预处理 662
13.2.1 星图图像的去噪方法 662
13.2.2 星图图像的畸变校正方法 667
13.2.3 基于局部熵的星体位置确定方法 671
13.2.4 半物理仿真实验及结果分析 673
13.3 星图的匹配识别 678
13.3.1 基于Delaunay剖分算法的快速星图匹配识别方法 679
13.3.2 基于新型Hausdorff距离的星图识别方法 685
13.3.3 基于新型Hausdorff距离的改进星图识别方法 692
13.3.4 基于蚁群聚类算法的快速星图识别方法 696
13.4 星体的质心提取 704
13.4.1 基于高斯曲面拟合的星体质心提取方法 704
13.4.2 半物理仿真试验及结果分析 707
13.5 小结 710
参考文献 711
第14章 天文导航半物理仿真系统 713
14.1 引言 713
14.2 天文导航半物理仿真系统的总体设计 714
14.2.1 系统组成 714
14.2.2 系统工作流程 714
14.3 系统各模块的设计 716
14.3.1 轨道发生器的设计 716
14.3.2 星模拟器的设计 716
14.3.3 星敏感器模拟器的设计 717
14.3.4 导航计算机的设计 720
14.4 星图模拟系统实现 721
14.4.1 星图模拟的原理 721
14.4.2 随机视场中观测星的选取及其验证方法 725
14.4.3 星图的模拟及软件实现 730
14.5 天文导航半物理仿真系统的标定及实验 734
14.5.1 系统硬件设备的标定 734
14.5.2 系统软件平台的实现 737
14.5.3 动静态试验及结果分析 738
14.6 基于半物理仿真系统的天文导航试验 740
14.7 小结 746
参考文献 746
第15章 航天器天文导航的展望 748
15.1 近地航天器自主天文导航的发展趋势 748
15.2 深空探测器自主天文导航的发展趋势 749
15.3 结束语 751
参考文献 752