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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