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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