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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