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第1章 天文与深空导航的基础知识1

1.1 绪论1

1.1.1 引言1

1.1.2 天文导航技术的特点和应用1

1.1.3 天文导航的历史和发展现状3

1.2 球面几何和球面三角形8

1.2.1 引言8

1.2.2 球面三角形8

1.2.3 导航三角形16

1.3 导航坐标系19

1.3.1 引言19

1.3.2 天球坐标系20

1.3.3 空间坐标系25

1.3.4 火星坐标系统30

1.3.5 地-火坐标系的转换32

1.3.6 月球坐标系统34

1.3.7 地-月坐标系的转换44

1.3.8 银道坐标系47

1.4 时间系统49

1.4.1 引言49

1.4.2 时间的基本概念49

1.4.3 时间在物理学上的解释50

1.4.4 时间在哲学上的解释50

1.4.5 时间计量工具的发展51

1.4.6 恒星日、太阳日和平太阳日51

1.4.7 地方时和区时53

1.4.8 各种时间系统55

1.4.9 脉冲星时间57

1.4.10 历法的基本概念62

1.5 导航天文学63

1.5.1 引言63

1.5.2 宇宙和天体63

1.5.3 天体视运动67

1.5.4 天体的辨认和识别78

第2章 天文导航的天体敏感器87

2.1 引言87

2.2 天体敏感器分类87

2.3 恒星敏感器88

2.3.1 恒星敏感器简介88

2.3.2 恒星敏感器分类89

2.3.3 恒星敏感器结构89

2.3.4 恒星敏感器的工作原理91

2.4 太阳敏感器93

2.4.1 太阳敏感器简介93

2.4.2 太阳敏感器分类93

2.4.3 太阳敏感器结构94

2.4.4 太阳敏感器的工作原理95

2.5 地球敏感器97

2.5.1 地球敏感器简介97

2.5.2 地球敏感器分类97

2.5.3 地球敏感器结构99

2.6 其他天体敏感器99

2.7 自主天文导航敏感器系统100

2.7.1 空间六分仪自主天文定位系统（SS-ANARS）100

2.7.2 MANS自主天文导航系统101

2.8 本章小结103

第3章 低轨地球卫星自主天文导航基本原理105

3.1 基于轨道动力学方程的天文导航基本原理概述105

3.1.1 直接敏感地平自主天文导航方法的基本原理105

3.1.2 利用星光折射间接敏感地平的自主天文导航基本原理105

3.1.3 航天器纯天文几何解析方法基本原理106

3.2 地球卫星直接敏感地平的自主天文导航107

3.2.1 地球卫星直接敏感地平自主天文导航原理108

3.2.2 地球卫星直接敏感地平天文导航方法性能分析115

3.3 地球卫星间接敏感地平的自主天文导航方法122

3.3.1 星光折射间接敏感地平天文导航原理122

3.3.2 地球卫星间接敏感地平的自主天文导航系统127

3.3.3 星光折射间接敏感地平的自主天文导航精度分析130

3.3.4 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137

3.4 本章小结140

第4章 深空探测器的自主天文导航原理与方法144

4.1 引言144

4.1.1 深空探测的发展144

4.1.2 天文导航对深空探测的重要性146

4.2 月球探测器在转移轨道上的天文导航方法147

4.2.1 月球探测器在转移轨道上的轨道动力学方程148

4.2.2 基于星光角距的自主天文导航方法148

4.2.3 基于太阳、地球矢量方向的自主天文导航方法150

4.2.4 月球探测器组合导航方法152

4.3 月球卫星的自主天文导航方法154

4.3.1 月球卫星的轨道动力学方程155

4.3.2 月球卫星的量测方程156

4.4 深空探测器纯天文几何解析定位方法158

4.4.1 纯天文定位的基本原理158

4.4.2 纯天文自主定位的观测量及量测方程158

4.4.3 纯天文自主定位的几何解析法161

4.5 本章小结167

第5章 VLBI用于深空探测器导航的原理及方法169

5.1 引言169

5.1.1 射电窗口与射电望远镜169

5.1.2 射电干涉与甚长基线干涉测量170

5.2 VLBI测量原理与应用172

5.2.1 VLBI几何原理172

5.2.2 时延观测量数学模型173

5.2.3 VLBI对深空探测器精密定位175

5.3 差分VLBI原理与应用178

5.3.1 差分VLBI对探测器定位原理178

5.3.2 差分VLBI观测模型179

5.3.3 差分VLBI在深空探测中的应用180

5.4 空间VLBI原理与应用181

5.4.1 空间VLBI简介181

5.4.2 空间VLBI时延观测量原理与数学模型183

5.4.3 空间VLBI的应用186

5.5 同波束VLBI （SBI）原理及在深空探测中的应用187

5.5.1 同波束VLBI简介187

5.5.2 同波束相位参考成图测量模型188

5.5.3 影响因素分析189

5.5.4 “玉兔”号巡视器相对定位结果190

5.6 本章小结193

第6章 USB技术用于深空探测器定位原理及方法199

6.1 USB概念及发展199

6.2 USB技术用于探测器定轨的原理199

6.2.1 测距技术200

6.2.2 测速技术212

6.3 联合测轨VLBI、USB和空间VLBI对CE探测器的精密定轨分析214

6.3.1 观测数据模拟214

6.3.2 模拟数据定轨解算219

6.3.3 ERP不参入估计时的联合数据定轨分析221

6.3.4 ERP参入估计时的联合数据定轨分析223

6.4 本章小结226

第7章 脉冲星测量技术及其在深空探测器自主导航中的应用229

7.1 脉冲星的发现229

7.2 脉冲星导航技术研究历程231

7.2.1 国外研究进展232

7.2.2 国内研究进展237

7.2.3 总结与评述240

7.3 X射线脉冲星自主导航定位原理与方法242

7.3.1 X射线脉冲星导航的基本原理242

7.3.2 X射线脉冲星导航系统组成及实现流程243

7.3.3 X射线脉冲星导航方式和观测量246

7.3.4 X射线光子到达时间转换的数学模型251

7.4 基于X射线脉冲星的航天器轨道测量方程253

7.4.1 脉冲相位测量方程253

7.4.2 航天器轨道测量模型254

7.5 X射线脉冲星导航的模糊度解算方法259

7.5.1 脉冲星相位整周模糊度的概念259

7.5.2 脉冲相位整周模糊度的特征260

7.5.3 模糊度搜索空间261

7.6 脉冲星导航的误差来源分析261

7.6.1 脉冲星特征参数与计时模型误差261

7.6.2 时间转换模型误差263

7.6.3 太阳系行星参数误差263

7.6.4 其他误差264

7.7 基于X射线脉冲星的航天器自主导航算法264

7.7.1 经典Kalman滤波算法265

7.7.2 Kalman滤波在X射线脉冲星自主导航中的应用举例272

7.8 脉冲星在深空探测中的应用274

7.8.1 用于深空探测器导航的可行性分析274

7.8.2 脉冲星用于授时方面的可行性分析275

7.9 美国的X射线脉冲星导航计划276

第8章 国内外深空探测计划279

8.1 美国深空探测发展规划概况279

8.2 俄罗斯深空探测发展规划概况280

8.3 欧洲深空探测发展规划概况281

8.4 日本深空探测发展规划282

8.5 国外各类深空探测计划的最新进展282

8.6 中国探月工程（“嫦娥”工程）287

附录 人类月球探测大事记293