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第1部分 天文导航的基础知识第1章 绪论1.1 引言3

1.2　天文导航技术的特点和应用3

1.3　天文导航的历史和发展现状4

1.3.1　天文导航的历史4

1.3.2　天文导航发展现状6

思考题与习题9

第2章　球面几何和球面三角10

2.1 引言10

2.2　球面三角10

2.2.1　球面几何10

2.2.2　球面三角形12

2.3　导航三角形16

2.3.1　导航三角形16

2.3.2　分割导航三角形17

思考题与习题19

第3章　导航坐标系20

3.1 引言20

3.2　天球坐标系20

3.2.1　天球上基本点、线、圆20

3.2.2　赤道坐标系21

3.2.3　地平坐标系22

3.2.4　黄道坐标系23

3.3　空间坐标系24

3.3.1　惯性坐标系24

3.3.2　地球固联坐标系24

3.3.3　地理坐标系25

3.3.4　载体坐标系25

思考题与习题26

第4章　时间系统27

4.1 引言27

4.2　时间的基本概念27

4.2.1　时间在物理学上的解释27

4.2.2　时间在哲学上的解释28

4.2.3　时间计量工具的发展28

4.3　恒星日、太阳日和平阳日29

4.3.1　恒星日和太阳日29

4.3.2　平阳日29

4.3.3　时差30

4.4　地方时和区时30

4.4.1　地方时、世界时及其相互关系30

4.4.2 区时31

4.4.3 日界线31

4.5　各种时间系统32

4.5.1　世界时系统32

4.5.2　历书时系统33

4.5.3　原子时系统34

4.6　历法的基本概念34

4.6.1　太阴历34

4.6.2　太阳历35

4.6.3 阴阳历35

思考题与习题35

第5章　导航天文学36

5.1 引言36

5.2　宇宙和天体36

5.2.1　宇宙36

5.2.2　天体38

5.2.3　太阳系39

5.3　天体视运动40

5.3.1　天体周日视运动40

5.3.2　太阳周年视运动43

5.3.3　月球视运动46

5.3.4　行星视运动48

5.3.5　岁差和章动50

5.3.6　光行差51

5.4　天体的辨认和识别51

5.4.1 星座、星名51

5.4.2　星图、星表51

5.4.3　常用恒星的识别53

思考题与习题57

参考文献58

第2部分 舰船航海中的天文导航技术第6章 天文航海中的测量仪器6.1 引言61

6.2　航海六分仪61

6.2.1　千分尺鼓轮六分仪61

6.2.2　游标尺六分仪65

6.2.3　人造地平六分仪66

6.3　天文钟67

6.3.1　机械天文钟67

6.3.2　石英天文钟67

6.4　本章小结67

思考题与习题68

第7章　舰船天文定位的基本原理69

7.1 引言69

7.2　航海中的天文导航基本原理69

7.3　精确天体高度的获得71

7.3.1　一般天体的高度修正71

7.3.2　月球的高度修正75

7.4　天体投影点的位置和时间76

7.4.1　天体投影点的坐标76

7.4.2　导航和天文学中的时间测量78

7.5　航海天文历80

7.5.1　天文历简介80

7.5.2　航海天文历的组成81

7.5.3　航海天文历的使用81

7.6　本章小结82

思考题与习题82

第8章　高度差法求舰位83

8.1 引言83

8.2　直接画天文位置圆求舰位法83

8.3　萨姆纳法85

8.4　高度差法86

8.4.1　高度差法的理论基础86

8.4.2　高度差法90

8.5　解析高度差法92

8.6　移动舰位的确定93

8.7　组合不同性质位置线求舰位法95

8.8　本章小结95

思考题与习题96

第9章 其他舰船天文定位方法97

9.1 引言97

9.2　利用北极星高度确定纬度97

9.3　利用天体中天高度确定纬度98

9.4　利用两个天体的观测高度确定纬度99

9.5　利用天体的中天高度确定经度101

9.6　本章小结103

思考题与习题103

参考文献103

第3部分 空间飞行器的自主天文导航技术第10章 天文导航的天体敏感器10.1　引言107

10.2　天体敏感器分类107

10.3　恒星敏感器107

10.3.1　恒星敏感器简介107

10.3.2　恒星敏感器分类108

10.3.3　恒星敏感器结构109

10.4　太阳敏感器111

10.4.1　太阳敏感器简介111

10.4.2　太阳敏感器分类111

10.4.3　太阳敏感器结构112

10.5　地球敏感器113

10.5.1　地球敏感器简介113

10.5.2　地球敏感器分类113

10.5.3　地球敏感器结构115

10.6　其他天体敏感器115

10.7　空间六分仪自主天文定位系统（SS-ANARS）116

10.8　MANS自主天文导航系统117

10.8.1　MANS自主导航系统原理118

10.8.2　MANS自主导航系统结构119

10.8.3　MANS自主导航系统特点120

10.9　本章小结120

思考题与习题120

第11章　航天器轨道动力学方程及自主天文导航基本原理11.1　引言121

11.2　航天器二体轨道和轨道要素121

11.2.1　二体问题121

11.2.2　6个积分和轨道要素122

11.3　航天器轨道摄动126

11.3.1　航天器轨道摄动方程126

11.3.2　地球非球形引力摄动129

11.3.3 日、月摄动130

11.3.4　大气阻力摄动131

11.3.5　太阳光压摄动132

11.3.6　潮汐摄动132

11.4　深空探测器的轨道运动133

11.4.1　多体问题和限制性三体问题133

11.4.2　地月飞行的轨道运动135

11.5　航天器自主天文导航基本原理137

11.5.1　航天器基于轨道动力学方程的天文导航基本原理137

11.5.2　航天器纯天文几何解析方法基本原理138

11.6　本章小结139

思考题与习题139

第12章 自主天文导航系统滤波方法12.1 引言141

12.2　最优估计方法［13,14］141

12.2.1　估计和最优估计方法141

12.2.2　最小方差估计142

12.2.3　极大似然估计143

12.2.4　极大验后估计144

12.2.5　贝叶斯估计145

12.2.6　线性最小方差估计146

12.2.7　最小二乘估计148

12.2.8　几种最优估计方法的比较及其关系150

12.3　卡尔曼滤波151

12.3.1　线性系统卡尔曼滤波方法151

12.3.2　扩展卡尔曼滤波方法156

12.3.3 Unscented卡尔曼滤波方法160

12.4　粒子滤波［15］162

12.4.1　先进的粒子滤波方法162

12.4.2　粒子滤波的采样方法162

12.4.3　标准粒子滤波算法164

12.4.4 Unscented粒子滤波算法166

思考题与习题167

第13章 地球卫星直接敏感地平的自主天文导航方法13.1　引言168

13.2　航天器自主天文导航技术168

13.2.1 航天器自主导航的意义168

13.2.2　地球卫星自主天文导航技术概述169

13.3　地球卫星直接敏感地平自主天文导航原理169

13.4　地球卫星直接敏感地平自主天文导航系统的数学模型170

13.4.1　系统的状态方程170

13.4.2　系统的量测方程172

13.5　地球卫星直接敏感地平天文导航方法性能分析176

13.5.1　不同轨道动力学方程对导航性能的影响177

13.5.2　滤波周期对导航性能的影响179

13.5.3　观测量对导航性能的影响181

13.5.4　星敏感器安装方位对导航性能的影响183

13.6　本章小结184

思考题与习题184

第14章　地球卫星间接敏感地平的自主天文导航方法14.1 引言185

14.2　星光折射间接敏感地平天文导航原理185

14.2.1　星光大气折射原理185

14.2.2　星光折射高度与折射角、大气密度之间的关系188

14.3　地球卫星间接敏感地平的自主天文导航系统190

14.3.1　系统的状态方程190

14.3.2　系统的量测方程191

14.3.3　计算机仿真192

14.4 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193

14.4.1　基于信息融合的自主天文导航方法原理193

14.4.2　基于信息融合的自适应Unscented卡尔曼滤波方法194

14.4.3　计算机仿真195

14.5　星光折射间接敏感地平的自主天文导航精度分析197

14.5.1　量测信息对导航精度的影响分析197

14.5.2　轨道参数对导航精度的影响分析200

14.6　本章小结203

思考题与习题204

第15章 深空探测器的自主天文导航原理与方法15.1　引言205

15.1.1　深空探测的发展205

15.1.2　天文导航对深空探测的重要性［44］207

15.2　月球探测器在转移轨道上的天文导航方法208

15.2.1 月球探测器在转移轨道上的轨道动力学方程209

15.2.2　基于星光角距的自主天文导航方法209

15.2.3　基于太阳、地球矢量方向的自主天文导航方法211

15.2.4　月球探测器组合导航方法213

15.3　月球卫星的自主天文导航方法215

15.3.1　月球卫星的轨道动力学方程216

15.3.2　月球卫星的量测方程217

15.4　深空探测器纯天文几何解析定位方法219

15.4.1　纯天文定位的基本原理219

15.4.2　纯天文自主定位的观测量及量测方程219

15.4.3　纯天文自主定位的几何解析法222

15.5　本章小结227

思考题与习题227

第16章　天文导航半物理仿真系统16.1 引言228

16.2　天文导航半物理仿真系统的总体设计228

16.2.1　系统组成228

16.2.2　系统工作流程229

16.3　系统各模块的设计229

16.3.1　轨道发生器的设计229

16.3.2　星模拟器的设计231

16.3.3　星敏感器模拟器的设计231

16.3.4　导航计算机的设计232

16.4　星图模拟系统实现233

16.4.1　星图模拟的原理233

16.4.2　随机视场中观测星的选取及其验证方法236

16.4.3　星图的模拟及软件实现240

16.5　天文导航半物理仿真系统的标定及试验243

16.5.1　系统硬件设备的标定243

16.5.2　系统软件平台的实现246

16.5.3　动静态试验及结果分析247

16.6　基于半物理仿真系统的天文导航试验249

16.7　本章小结255

思考题与习题255

参考文献255

第4部分 弹道导弹和飞机中的惯性／天文组合导航技术第17章 惯性／天文组合导航原理与方法17.1 引言261

17.2　惯性／天文组合导航系统的工作模式262

17.3　惯性／天文组合导航系统的组合模式263

17.4　惯性／天文组合导航基本原理264

17.4.1　星敏感器的测姿原理264

17.4.2　天文量测信息修正惯性器件误差原理266

17.4.3 利用惯性／天文组合导航系统修正弹道导弹发射点位置误差的原理267

17.4.4 利用误差状态转移矩阵估计弹道导弹主动段导航误差267

17.5　惯性／天文组合导航系统的建模方法269

17.5.1　状态方程269

17.5.2　量测方程274

17.6　本章小结277

思考题与习题277

第18章 惯性／天文组合导航半物理仿真系统18.1 引言279

18.2　惯性／天文组合导航半物理仿真系统的子系统279

18.2.1　惯性导航子系统279

18.2.2　天文导航子系统283

18.3　惯性／天文组合导航半物理仿真系统的总体设计286

18.4　惯性／天文组合导航半物理仿真系统的软硬件实现287

18.5　惯性／天文组合导航用轨迹发生器290

18.5.1　弹道导弹轨迹发生器290

18.5.2　飞机轨迹发生器295

18.6　惯性／天文组合导航半物理仿真系统性能分析299

18.6.1　星敏感器的精度对组合导航性能的影响299

18.6.2　滤波周期对组合导航性能的影响300

18.6.3　不同初始失准角对组合导航性能的影响303

18.7　本章小结305

思考题与习题305

第19章 惯性／天文组合导航系统的应用19.1　引言306

19.2　组合导航系统在弹道导弹中的应用306

19.2.1 弹道导弹SINS子系统仿真试验307

19.2.2 弹道导弹SINS/CNS组合导航系统半物理仿真307

19.3　组合导航系统在飞机中的应用308

19.3.1　机载SINS子系统仿真试验309

19.3.2　机载SINS/CNS组合导航系统半物理仿真310

19.4　组合导航应用中的关键技术311

19.4.1　递归交互式多模型自适应卡尔曼滤波方法311

19.4.2　重力异常对组合导航精度的分析与补偿方法315

19.4.3　基于可观测度分析的降维滤波器设计方法318

19.4.4　一种状态突变带渐消因子的KF方法321

19.5　本章小结322

思考题与习题323

参考文献323

第5部分　展望329

第20章 天文导航技术的展望329

20.1　舰船天文导航的发展趋势329

20.2　航天器天文导航的发展趋势331

20.3　惯性／天文组合导航技术的发展趋势337

20.4　结束语338

参考文献339

附录343

附表1　航海天文历343

附表2　北极星表349

附表3　修正项表351