航天器自主天文导航原理与方法(1-4章)

航天器自主天文导航原理与方法第一章绪论1.1引言1.1.1自主天文导航的定义1.1.2天文导航技术的特点和应用1.2天文导航技术的发展1.2.1天文导航的历史1.2.2天文导航的现状1.2.3天文导航的发展方向1.3天体和天体的运动1.3.1天体1.3.2天体的运动1.4常用坐标系及天体坐标1.4.1天球上的基本点、线、圆1.4.2赤道坐标系1.4.3地平坐标系1.4.4黄道坐标系1.5时间系统1.5.1恒星日、太阳日、平阳日1.5.2地方时和区时1.5.3各种时间系统1.5.4历法的基本概念第二章天文导航的光学敏感器2.1引言2.2光学敏感器的分类2.3恒星敏感器2.3.1恒星敏感器简介2.3.2恒星敏感器的基本结构设计2.3.3恒星敏感器的硬件、软件设计与实现2.3.4恒星敏感器的误差分析与校正2.4太阳敏感器2.4.1太阳敏感器简介2.4.2太阳敏感器分类2.4.3太阳敏感器设计2.4.4太阳敏感器试验与标定2.5地球敏感器2.5.1地球敏感器简介2.5.2地球的红外辐射2.5.3地球敏感器的主要类型2.5.4地球敏感器的设计2.5.5地球敏感器的试验与标定2.6小结第三章航天器轨道动力学方程及自主天文导航基本原理3.1引言3.2二体问题3.2.1二体问题和轨道要素3.2.2位置和速度公式3.2.3轨道定轨公式3.3卫星轨道摄动3.3.1卫星轨道摄动方程3.3.2地球形状摄动3.3.3日、月摄动3.3.4大气阻力摄动3.3.5太阳光压摄动3.4深空探测器的轨道运动3.4.1限制性三体问题3.4.2地月飞行的轨道运动3.4.3行星际探测器的轨道运动3.5航天器轨道动力学方程的数值解法3.5.1常用的单步法3.5.2线性多步法3.6自主天文导航的基本原理3.6.1基于轨道动力学方程的天文导航基本原理3.6.2航天器纯天文导航基本原理3.7小结第四章地球卫星直接敏感地平的自主天文导航方法4.1引言4.2地球卫星的自主天文导航技术综述4.2.1航天器自主导航的意义4.2.2航天器自主天文导航技术概述4.3地球卫星直接敏感地平的自主天文导航原理4.4地球卫星直接敏感地平的自主天文导航系统的数学模型4.4.1地球卫星直接敏感地平的自主天文导航系统的状态模型4.4.2地球卫星直接敏感地平的自主天文导航系统的量测模型4.5自主天文导航系统的滤波方法4.5.1滤波方法综述4.5.2自主天文导航系统的EKF滤波方法4.5.3自主天文导航系统的UKF滤波方法4.5.4自主天文导航系统的UPF滤波方法4.5.5其他滤波方法简介4.6地球卫星直接敏感地平天文导航方法仿真结果和分析4.6.1不同轨道动力学方程对系统定位导航性能的影响4.6.2滤波周期对系统定位导航性能的影响4.6.3观测量对系统定位导航性能的影响4.6.4轨道参数对系统定位导航性能的影响4.6.5星敏感器的安装方位对系统定位导航性能的影响4.7地球卫星直接敏感地平天文导航方法可观测性分析4.7.1与自主天文导航系统状态方程相关的影响因素4.7.2与自主天文导航系统量测方程相关的影响因素4.8小结第五章地球卫星间接敏感地平的自主天文导航方法5.1引言5.2星光折射间接敏感地平导航技术5.2.1星光大气折射原理5.2.2星光折射高度与折射角、大气密度之间的关系5.2.3星光折射高度与折射角、大气密度之间的误差关系5.3地球卫星间接敏感地平的自主天文导航系统的数学模型5.4基于信息融合的自主天文导航系统5.4.1直接敏感地平和间接敏感地平信息融合的自主天文导航系统5.4.2利用两个星敏感器观测信息的自主天文导航系统5.5大气密度分布特性及星光折射特性建模与实验方案研究5.5.1国际标准大气模式资料的获取及大气密度数据库的初步建立5.5.2三维大气模式下的星光折射模型的理论研究5.5.3大气模式与星光折射的初步分析5.6星光折射间接敏感地平的自主天文导航计算机仿真精度分析5.6.1低轨卫星自主天文导航精度分析5.6.2不同轨道高度卫星自主天文导航精度分析5.6.3不同轨道偏心率卫星自主天文导航精度分析5.7小结第六章深空探测器的自主天文导航原理与方法6.1引言6.2深空探测器纯天文几何解析定位法6.2.1纯天文定位的基本原理分析6.2.2纯天文自主定位的观测量及观测方程6.2.3纯天文自主定位的几何解6.3深空探测器自主天文导航的滤波方法6.3.1深空探测器自主天文导航系统的数学模型6.3.2深空探测器自主天文导航系统滤波方法6.3.3深空探测器自主天文导航系统滤波方法的仿真结果6.3.4深空探测器自主天文导航系统滤波方法的可观测性和可观测度分析6.4基于信息融合的深空探测器组合导航方法6.4.1月球探测器天文导航的基本原理6.4.2组合导航系统的数学模型6.4.3信息融合滤波方法6.4.4计算机仿真及结果6.4.5小结6.5敏感器精度对估值精度的影响6.5.1行星敏感器的精度对估值精度的影响6.5.2恒星敏感器的精度对估值精度的影响6.6小结第七章航天器的惯性/天文组合导航原理与方法7.1引言7.2惯性/天文组合导航系统7.2.1惯性/天文组合导航系统模型的建立7.2.2卡尔曼滤波模型的建立7.2.3惯性/天文组合导航系统的计算机仿真及结论7.2.4惯性/天文组合导航系统的校正7.2.5基于集中滤波的惯性/天文组合导航系统7.3基于联邦滤波的惯性/天文组合导航系统7.3.1联邦滤波器算法原理7.3.2联邦滤波器的结构和性能分析7.3.3联邦滤波器信息分配方法7.3.4INS/CNS/GPS组合导航系统的联邦滤波器设计7.4基于多模自适应的组合导航系统的信息融合技术7.4.1多模型自适应卡尔曼滤波器的结构和算法7.4.2多模型自适应联邦滤波器的结构、算法和计算机仿真7.4.3多模自适应估计理论在组合导航系统中的应用7.5惯性/天文/卫星组合导航系统及容错技术7.5.1基于H∞滤波的惯性/天文/卫星组合导航系统7.5.2改进的交互式多模型估计理论在惯性/天文/卫星组合导航系统中的应用7.5.3基于遗传算法的多模型卡尔曼滤波器的惯性/天文/卫星组合导航系统7.5.4惯性/天文/卫星组合导航系统容错技术7.6小结第八章基于STK的天文导航系统计算机仿真8.1引言8.2STK简介8.3STK的安装8.4STK基本使用方法8.5利用STK产生卫星轨道数据8.6利用STK产生卫星姿态数据8.7STK在深空探测中的应用8.8小结第九章天文导航的半物理系统设计9.1引言9.2基于星光的天文导航半物理仿真系统构成9.2.1系统实验初步方案9.2.2高精度动态星模拟器的方案9.2.3星敏感器模拟的初步方案9.3动态星图半物理仿真9.3.1星图模拟系统原理9.3.2搜索观测星的方法9.3.3视场模拟星图的位置计算9.3.4星光模拟9.3.5动态星图模拟9.4星图图像畸变校正9.4.1图像畸变与校正原理9.4.2校正过程9.4.3实验结果分析9.5小结第十章天文导航中的星图匹配和星体识别技术10.1引言10.2基于局部熵的星图提取技术10.2.1图像的局部熵10.2.2基于图像局部熵的星图检测10.2.3基于线性内插的亚像素级恒星位置提取10.2.4仿真实验10.3基于高斯曲面拟和的质心提取方法10.3.1高斯曲面内插的基本原理10.3.2仿真实验结果及分析10.4基于剖分算法的星图特征提取方法10.4.1Delaunay剖分算法原理10.4.2针对剖分算法的导航星库的构造10.4.3Delaunay剖分算法在星图匹配识别中的应用10.4.4完备特征库的生成方法10.4.5仿真实验10.4.6总结与进一步研究内容10.5星敏感器视场区域的坐标变换10.5.1由天球坐标向CCD平面坐标的转换10.5.2坐标变换的有效性检验10.5.3星敏感器成像的几何变换10.6基于剖分算法的特征数据搜索方法研究10.7基于Hausdorff(HD)距离的高精度星图识别方法研究10.7.1星图匹配识别算法国内外研究现状和发展趋势10.7.2导航星表统计信息10.7.3基于Hausdorff(HD)距离的星图识别方法10.7.4全星图快速识别算法10.8半物理仿真系统平台10.9小结参考文献第一章绪论1.1引言1.1.1自主天文导航的定义所谓自主导航技术是指不与外界进行信息的传输和交换，不依赖于地面设备的定位导航技术。天文导航是利用光学敏感器测得的天体（太阳、月球、地球、行星和恒星）的信息进行载体位置计算的一种定位导航方法。天文导航和惯性导航技术一样同属于自主导航技术。天文导航是在航天、航海和航空领域正在得到广泛应用的自主定位导航技术。尤其对登月、载人航天和远洋航海是必不可少的关键技术，还是卫星和远程导弹和运载火箭、高空远程侦察机等的重要辅助导航手段。1.1.2天文导航的特点及其应用1.1.2.1特点1和惯性导航技术同属于自主导航技术所谓自主导航技术是指不与外界进行信息的传输和交换，不依赖于地面设备的定位导航技术。天文导航是利用光学敏感器测得的天体（恒星、近天体）的信息进行载体位置的计算。天文导航和惯性导航技术一样同属于自主导航技术。2定位精度不很高，但误差不积累，其精度取决于光学敏感器的精度相比其他导航方法来说，天文导航的精度不是最高的，但其不像惯性导航存在误差随时间积累的问题，这一点对长时间运行的载体来说是非常重要的。天文导航的定位精度主要取决于光学敏感器的精度。3不仅可以提供位置信息，还可以提供高精度的姿态信息但天文导航也存在不足之处：在某些情况下受外界环境的影响——如气候条件输出信息不连续1.1.2.2应用范围1长时间运行的载体航空：远程侦察机、运输机、轰炸机航天：卫星、飞船、空间站、深空探测、远程导弹航海：舰船、潜艇2要求高导航定位精度的领域3要求自主定位导航的领域1.2天文导航技术的发展1.2.1天文导航的历史天文导航最早从航海上发展而来，起源于中国，早在2000多年前，我国就有天文导航的记录。郑和七下西洋（1403-1435），过洋千星图是当时最完整、最精确的原始记录。清朝，中国闭关锁国，而欧洲资本主义兴起，争夺海外殖民地，极大的促进了航海技术的发展。1730年出现了六分仪，1731年发明了天文钟，极大促进了天文导航的发展。1837年美国船长沙姆那发现了等高线，可同时测经纬度，1875年法国人圣西勒尔，发现了高度差法，成为现代天文导航的重要基础。二十世纪中叶，1950年后，随着载人航天技术的发展，天文导航技术在航天中也得到了极大的发展，尤其阿波罗登月，前苏联空间站都使用了天文导航技术。1.2.2天文导航的现状自60年代以来，国外就开始研究航天器基于星体敏感器的自主导航方案。与此同时，不断发展与各种自主导航系统方案相适应的各种敏感器，包括地球敏感器、太阳敏感器、CCD星敏感器、自动空间六分仪等。例如在美国的林肯实验卫星-6，阿波罗登月飞船，前苏联“和平号”空间站以及与飞船的交会对接等航天任务都应用了自主天文导航技术，这些自主天文导航系统均已取得了成功。近年来，自主天文导航系统的发展方向主要包括如下两个方面：(1)新颖的直接敏感地平技术；(2)通过星光折射间接敏感地平。直接敏感地平方法的第一种方案是采用红外地平仪与星敏感器和惯性测量单元构成自主定位导航系统，这种常用的自主导航系统成本较低，技术成熟、可靠性好，但定位精度不高，原因是地平敏感精度太低。当地平敏感精度为0.02°（1σ）、星敏感器的精度为2″（1σ）时，定位精度约为1-3km，显然在有些场合这一定位精度不能满足要求。直接敏感地平进行空间定位的第二种方案是自动空间六分仪（自主导航和姿态基准系统，SS-ANARS），美国自70年代初开始研究，1985年利用航天飞机进行空间实验，于80年代末投入使用。由于采用了精密而复杂的测角机构，利用天文望远镜可以精确测量恒星与月球明亮边缘、恒星与地球边缘之间的夹角，经过实时数据处理后3轴姿态测量精度达1″（RMS），位置精度达200-300m，但仪器结构复杂且成本很高、研制周期长。这种方案定位精度较高的原因，