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第1章 绪论1

1.1 航天器自主导航概述1

1.1.1 自主导航的定义及特点1

1.1.2 航天器对自主导航技术的需求分析1

1.2 航天器自主导航系统分类及发展概况3

1.2.1 惯性导航系统3

1.2.2 天文导航系统4

1.2.3 卫星导航系统5

1.3 X射线脉冲星导航的发展概况8

1.3.1 X射线脉冲星导航的基本概念8

1.3.2 脉冲星参数测定及相关理论的研究进展9

1.3.3 导航理论的研究进展17

1.3.4 X射线探测技术的研究进展20

1.3.5 X射线脉冲星导航试验及研究计划26

参考文献28

第2章 X射线脉冲星导航的相关理论35

2.1 时空参考框架35

2.1.1 坐标系统35

2.1.2 广义相对论时间系统36

2.2 时间相位模型和时间转换模型41

2.2.1 时间相位模型41

2.2.2 时间转换模型41

2.3 航天器轨道动力学与姿态动力学方程43

2.3.1 航天器轨道动力学43

2.3.2 航天器姿态动力学45

2.4 非线性滤波算法48

2.4.1 扩展卡尔曼滤波48

2.4.2 无迹卡尔曼滤波49

参考文献51

第3章 X射线脉冲星信号处理方法53

3.1 X射线脉冲星信号模型53

3.1.1 标准轮廓53

3.1.2 脉冲星信号参数53

3.2 脉冲星信号模拟方法54

3.2.1 光子到达事件54

3.2.2 探测器时间分辨率分析55

3.2.3 脉冲观测轮廓的绘制58

3.2.4 观测轮廓分析59

3.3 基于历元折合的脉冲到达时间估计方法61

3.3.1 极大似然法62

3.3.2 信号相关法62

3.3.3 傅里叶变换法63

3.4 影响TOA估计的因素分析64

3.4.1 脉冲星特征参数误差的影响64

3.4.2 噪声的影响66

3.5 小结68

参考文献68

第4章 X射线脉冲星定位/守时/定姿方法70

4.1 X射线脉冲星导航系统的应用策略设计70

4.1.1 脉冲星遮挡问题描述70

4.1.2 航天器轨道的影响73

4.1.3 探测器安装方式的影响75

4.1.4 轨道进动的影响77

4.1.5 导航系统的应用策略78

4.2 基于X射线脉冲星的航天器定位方法79

4.2.1 基本原理79

4.2.2 导航观测模型分析79

4.2.3 系统流程80

4.2.4 X射线探测器配置方案分析81

4.3 基于X射线脉冲星的航天器守时方法83

4.3.1 基本原理83

4.3.2 系统方程84

4.3.3 守时算法85

4.3.4 单X射线脉冲星守时可行性分析89

4.4 基于X射线脉冲星的航天器姿态确定方法91

4.4.1 脉冲星定姿原理91

4.4.2 脉冲星方位观测的实现途径95

4.5 小结96

参考文献97

第5章 X射线脉冲星定位/守时系统误差传播机理分析98

5.1 X射线脉冲星导航系统误差源建模98

5.1.1 影响TOA理论精度的误差源98

5.1.2 影响时间转换模型精度的误差源98

5.2 误差源对测量值的影响101

5.2.1 影响TOA精度的误差源的影响101

5.2.2 影响时间转换模型精度的误差源的影响104

5.3 误差源对定位/守时结果的影响110

5.3.1 TOA精度对定位/守时精度的影响110

5.3.2 影响时间转换模型精度的误差源对定位的影响112

5.3.3 影响时间转换模型精度的误差源对守时的影响115

5.4 小结118

参考文献119

第6章 基于X射线脉冲星的近地航天器自主导航系统误差补偿方法120

6.1 主要误差源的传播特性分析120

6.1.1 行星星历误差的传播特性120

6.1.2 脉冲星角位置误差的传播特性123

6.1.3 脉冲星距离误差的传播特性124

6.1.4 星载原子钟钟差的传播特性124

6.2 基于扩展状态的误差源补偿方法126

6.2.1 导航系统126

6.2.2 可观性分析127

6.2.3 仿真分析129

6.3 基于历元差分的误差源补偿方法130

6.3.1 历元差分测量模型的建立130

6.3.2 可观性分析131

6.3.3 改进无迹卡尔曼滤波132

6.3.4 仿真分析134

6.4 小结138

参考文献139

第7章 以X射线脉冲星为主的多测量信息融合导航方法研究140

7.1 X射线脉冲星/传统天体测量信息组合导航框架140

7.1.1 传统天体测量模型140

7.1.2 信息融合方法142

7.1.3 基于误差分离原理的系统误差补偿方法146

7.1.4 仿真分析147

7.2 X射线脉冲星/惯导组合导航框架153

7.2.1 组合导航系统的构成153

7.2.2 动力学模型154

7.2.3 观测模型154

7.2.4 仿真分析155

7.3 小结158

参考文献158

第8章 基于X射线脉冲星相对观测的星座定向参数确定方法研究160

8.1 基于基线矢量观测的星座整体旋转确定方法160

8.2 基于脉冲星的星座定向参数确定原理与方案设计163

8.2.1 基于脉冲星的星座定向参数确定基本原理163

8.2.2 基于脉冲星的星座定向参数确定方案设计164

8.3 系统观测模型与可观性分析166

8.3.1 测距观测方程166

8.3.2 脉冲星测向观测方程167

8.3.3 系统可观性分析169

8.4 仿真分析170

8.4.1 后验Cramer-Rao下限分析170

8.4.2 导航性能分析171

8.4.3 影响星座定向参数确定精度的因素分析177

8.5 小结183

参考文献183

第9章 X射线脉冲星导航地面仿真验证系统184

9.1 地面仿真验证系统总体设计184

9.1.1 模块设计184

9.1.2 物理构成185

9.2 全数字仿真验证模式186

9.2.1 各节点数据流程设计186

9.2.2 仿真节点设计187

9.2.3 仿真分析194

9.3 半实物仿真验证模式194

9.3.1 高精度X射线周期信号模拟源194

9.3.2 X射线探测器测试199

9.4 小结207

参考文献207

索引208