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第一章　概论 1

1.1　天文导航概述 1

1.1.1　天文导航特点 1

1.1.2　天文导航历史 2

1.1.3　天文导航发展现状 2

1.2　天体和天体运动 5

1.2.1 天体 5

1.2.2　天体运动 6

1.3　常用坐标系 8

1.3.1　天球上的基本点、线、圆 8

1.3.2　赤道坐标系 9

1.3.3　地平坐标系 10

1.3.4　黄道坐标系 10

1.4　时间系统 11

1.4.1 恒星日、太阳日、平阳日 11

1.4.2　各种时间系统 12

1.4.3　地方时和区时 13

1.4.4　历法的基本概念 13

1.5　本章小结 14

参考文献 14

2.3.1　恒星敏感器简介 16

2.2　天体敏感器分类 16

2.3　恒星敏感器 16

第二章　天文导航的天体敏感器 16

2.1 引言 16

2.3.2　恒星敏感器分类 18

2.3.3　恒星敏感器设计 19

2.3.4　恒星敏感器误差分析与标定 24

2.4　太阳敏感器 24

2.4.1 太阳敏感器简介 24

2.4.2　太阳敏感器分类 25

2.4.3　太阳敏感器设计 25

2.4.4　太阳敏感器试验与标定 27

2.5.1　地球敏感器简介 28

2.5.2　地球敏感器分类 28

2.5　地球敏感器 28

2.5.3　地球敏感器设计 30

2.5.4　地球敏感器试验与标定 30

2.6　其他天体敏感器 31

2.7　空间六分仪自主天文定位系统（SS-ANARS） 31

2.8 MANS自主天文导航系统 32

2.8.1 MANS自主导航系统原理 33

2.8.2 MANS自主导航系统硬件 33

2.8.3 MANS自主导航系统软件 34

2.8.4 MANS自主导航系统特点 34

2.9　本章小结 34

参考文献 35

3.2　航天器二体轨道和轨道要素 37

3.2.1　二体问题 37

3.1 引言 37

第三章　航天器轨道动力学方程及自主天文导航基本原理 37

3.2.2 6个积分和轨道要素 38

3.3　航天器轨道摄动 42

3.3.1　航天器轨道摄动方程 42

3.3.2　地球非球形引力摄动 45

3.3.3　日、月摄动 45

3.3.4　大气阻力摄动 46

3.3.5　太阳光压摄动 47

3.3.6　潮汐摄动 47

3.4　深空探测器的轨道运动 48

3.4.1 多体问题和限制性三体问题 48

3.4.2　地月飞行的轨道运动 50

3.5　航天器自主天文导航基本原理 52

3.5.1　航天器基于轨道动力学方程的天文导航基本原理 52

3.5.2　航天器纯天文几何解析方法基本原理 52

3.6　本章小结 54

参考文献 54

第四章　地球卫星直接敏感地平的自主天文导航方法 55

4.1 引言 55

4.2　航天器自主天文导航技术 55

4.2.1　航天器自主导航的意义 55

4.2.2　地球卫星自主天文导航技术概述 56

4.3　地球卫星直接敏感地平自主天文导航原理 56

4.4　地球卫星直接敏感地平自主天文导航系统的数学模型 57

4.4.1 系统的状态方程 57

4.4.2 系统的量测方程 58

4.4.3　计算机仿真 61

4.5 自主天文导航系统滤波方法 64

4.5.1　滤波方法综述 64

4.5.2　几种经典的滤波方法 67

4.5.3　先进的粒子滤波方法 70

4.6　地球卫星直接敏感地平天文导航方法性能分析 76

4.6.1 不同轨道动力学方程对导航性能的影响 76

4.6.2 滤波周期对导航性能的影响 78

4.6.3　观测量对导航性能的影响 80

4.6.4　星敏感器安装方位对导航性能的影响 88

4.7　地球卫星直接敏感地平天文导航方法的可观测性分析 92

4.7.1 与状态方程相关的影响因素及可观测性分析 93

4.7.2　与量测方程相关的影响因素及可观测性分析 97

4.8　本章小结 100

参考文献 100

第五章　地球卫星间接敏感地平的自主天文导航方法 103

5.1 引言 103

5.2　星光折射间接敏感地平天文导航原理 103

5.2.1 星光大气折射原理 103

5.2.2　星光折射高度与折射角、大气密度之间的关系 106

5.2.3　大气密度分布特性及星光折射特性建模 108

5.3　地球卫星间接敏感地平的自主天文导航系统 121

5.3.1 系统的状态方程 121

5.3.2　系统的量测方程 122

5.3.3　计算机仿真 123

5.4.1 基于信息融合的自主天文导航方法原理 126

5.4　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 126

5.4.2　基于信息融合的自适应Unscented卡尔曼滤波方法 127

5.4.3　计算机仿真 128

5.5　星光折射间接敏感地平的自主天文导航精度分析 129

5.5.1 量测信息对导航精度的影响分析 129

5.5.2　轨道参数对导航精度的影响分析 131

5.6　本章小结 134

参考文献 134

第六章　深空探测器的自主天文导航原理与方法 137

6.1 引言 137

6.1.1　深空探测的发展 137

6.1.2　天文导航对深空探测的重要性 138

6.2.1 月球探测器在转移轨道上的轨道动力学方程 140

6.2　月球探测器在转移轨道上的天文导航方法 140

6.2.2　基于星光角距的自主天文导航方法 141

6.2.3　基于太阳、地球矢量方向的自主天文导航方法 142

6.2.4　月球探测器组合导航方法 146

6.3　月球卫星的自主天文导航方法 150

6.3.1 月球卫星的轨道动力学方程 150

6.3.2　月球卫星的量测方程 151

6.4　月球车、火星车的自主天文导航技术 153

6.4.1 月球车的自主天文导航方法 154

6.4.2 火星车的自主天文导航方法 159

6.5　深空探测器纯天文几何解析定位方法 162

6.5.1　纯天文定位的基本原理 162

6.5.2　纯天文自主定位的观测量及量测方程 163

6.5.3　纯天文自主定位的几何解析法 165

6.6　本章小结 169

参考文献 169

第七章　弹道导弹的惯性／天文组合导航原理与方法 172

7.1 引言 172

7.2　惯性／天文组合导航原理 173

7.2.1　惯性／天文组合导航系统工作模式 173

7.2.2　惯性／天文组合导航系统的基本原理 173

7.2.3　惯性／天文组合导航系统建模 176

7.2.4　利用误差状态转移矩阵估计导弹主动段导航误差 179

7.3　惯性／天文组合导航系统研究 182

7.3.1 可观测度分析方法及其在组合导航系统降维滤波器设计中的应用 182

7.3.2　重力异常对弹道导弹惯性导航精度影响的分析与补偿 185

7.3.3　一种针对关机点弹体状态突变带渐消因子的KF方法 189

7.4　惯性／天文组合导航系统性能分析 191

7.4.1　弹道导弹轨迹发生器 191

7.4.2　星敏感器的精度对导航性能的影响 194

7.4.3 滤波周期对导航性能的影响 199

7.4.4　不同初始失准角对导航性能的影响 199

7.5　本章小结 205

参考文献 206

第八章　利用sTK的天文导航系统计算机仿真 207

8.1 引言 207

8.2 STK软件的安装 207

8.2.1　系统要求 207

8.3.1 STK的启动 208

8.2.2　软件的安装 208

8.3 STK基本使用方法 208

8.3.2 STK的任务管理窗口 209

8.4　利用STK产生卫星轨道数据 209

8.5　利用STK产生卫星姿态数据 213

8.6　本章小结 217

参考文献 217

第九章 天文导航中星图预处理及匹配识别技术 218

9.1 引言 218

9.2　星图的预处理 218

9.2.1 星图图像的去噪方法 218

9.2.2　星图图像的畸变校正方法 222

9.2.3　基于局部熵的星体位置确定方法 225

9.2.4　半物理仿真实验及结果分析 227

9.3　星图的匹配识别 230

9.3.1 基于Delaunay剖分算法的快速星图匹配识别方法 231

9.3.2　基于新型Hausdorff距离的星图识别方法 235

9.3.3　基于新型Hausdorff距离的改进星图识别方法 240

9.4　星体的质心提取 243

9.4.1　基于高斯曲面拟合的星体质心提取方法 243

9.4.2　半物理仿真实验及结果分析 246

9.5　本章小结 248

参考文献 248

10.2.1 系统组成 250

10.2　天文导航半物理仿真系统的总体设计 250

第十章　天文导航半物理仿真系统 250

10.1 引言 250

10.2.2　系统工作流程 251

10.3　系统各模块的设计 252

10.3.1　轨道发生器的设计 252

10.3.2　星图模拟器的设计 252

10.3.3　星敏感器模拟器的设计 253

10.3.4　导航计算机的设计 255

10.4　星图模拟系统实现 256

10.4.1　星图模拟的原理 256

10.4.2　随机视场中观测星的选取及其验证方法 258

10.4.3　星图的模拟及软件实现 263

10.5.1 系统硬件设备的标定 266

10.5　天文导航半物理仿真系统的标定及实验 266

10.5.2　系统软件平台的实现 268

10.5.3　动静态实验及结果分析 268

10.6　基于半物理仿真系统的天文导航实验 270

10.7　本章小结 275

参考文献 275

第十一章　航天器天文导航展望 276

11.1 基于轨道动力学的天文导航滤波方法的展望 276

11.2　纯天文几何解析导航方法的展望 278

11.3　天文组合导航系统的展望 278

11.4　结束语 281

参考文献 282