内容简介

本书的作者在航天器自主导航领域潜心耕耘20余年，取得了具有自主知识产权的创新研究成果；特别是近几年来，在新概念导航体制、测量敏感器产品、地面验证系统和空间飞行试验等方面取得了多项突破性进展。本书面向当前自主导航技术发展需求，充分吸纳作者的理论研究成果和工程实践经验，深入浅出地介绍了导航滤波器设计的基本概念和原理方法，对先进滤波器设计方法与导航定位方案进行了分析，并给出了多个典型系统的仿真案例，实现了基础理论与工程背景的有机融合，对期待应用滤波方法解决实际问题的研究人员具有指导意义。

编辑推荐

充分吸纳作者的理论研究成果和工程实践经验，深入浅出地介绍了导航滤波器设计的基本概念和原理方法，对先进滤波器设计方法与导航定位方案进行了分析。

作者简介

熊凯，北京控制工程研究所，研究员，近地卫星自主导航研究领域高级主任研究师，主要从事航天器自主导航和非线性滤波等方面的基础预研工作。 魏春岭，北京控制工程研究所，研究员，空间智能控制技术重点实验室副主任，长期从事航天器自主导航和自主控制研究。 郭建新，北京控制工程研究所，研究员，主要从事高轨卫星自主导航及轨道控制、多体航天器复合姿态控制等方向的研究，负责我国新一代通信和导航卫星控制系统方案设计工作。

前言

航天技术是促进太空资源开发、知识传播与科技水平进步的重要引擎.经过多年努力,我国进出空间、利用空间、探索空间和控制空间的能力显著增强,航天科技和产业持续发展,系统创新工作不断取得新的成就.２０２０年,北斗三号全球卫星导航系统的建成开通,为全球公共服务基础设施建设做出重大贡献;嫦娥五号完成我国首次地外天体采样返回任务,标志着探月工程 “绕、落、回”三步走收官之战取得了圆满胜利.２０２１ 年,长征五号 B运载火箭将中国空间站工程首个航天器天和核心舱顺利送入太空,我国空间站在轨建造大幕正式开启;天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原,使我国在行星探测领域进入世界先进行列.未来我国还将开展综合定位导航授时体系、国家卫星互联网、小行星监测预警与防御、太阳系外行星生命探索、太阳系边际探测等一系列重大工程,对航天器的自主能力和智能水平提出了新的挑战,也为自主导航技术的发展应用提供了动力源泉。 航天器自主导航系统能够为近地轨道、深空探测和星际飞行的各类航天器提供位置、速度、姿态和时间等信息,支持航天器发展成为具备感知、学习、推理、执行、进化等能力的智能无人系统,使其能够长期在不确定环境且无外界干预的条件下执行空间任务.导航滤波器设计是航天器自主导航的核心技术之一,对于提升系统性能具有重要作用.本书的作者在航天器自主导航领域潜心耕耘２０余年,取得了具有自主知识产权的创新研究成果;特别是近几年来,在新概念导航体制、测量敏感器产品、地面验证系统和空间飞行试验等方面取得了多项突破性展. «航天器导航滤波器设计方法»一书面向当前自主导航技术发展需求,充分吸纳作者的理论研究成果和工程实践经验,深入浅出地介绍了导航滤波器设计的基本概念和原理方法,对先进滤波器设计方法与导航定位方案进行了分析,并给出了多个典型系统的仿真案例,实现了基础理论与工程背景的有机融合,对期待应用滤波方法解决实际问题的研究人员具有指导意义。 相信本书的出版将对我国航天器自主导航技术研究和相关领域青年人才培养起到积极的推动作用.同时,希望更多怀揣航天梦的年轻人投身祖国航天事业,为加快航天强国建设做出贡献。

目录

第1章 绪论 1.1 航天器导航概述 1.2 航天器自航简介 1.3 面向航天器的典型导航方式 1.3.1 光学成像导航 1.3.2 X射线脉冲星导航 1.3.3 恒星光谱测速导航 1.3.4 全球导航 1.4 随机系统状态估计 1.5 卡尔曼滤波器的提出和发展 1.5.1 二乘法 1.5.2 维纳滤波器 1.5.3 卡尔曼滤波器 1.5.4 鲁棒滤波器 1.5.5 自适应滤波器 1.6 本书主要内容 参考文献 第2章 预备知识 2.1 矩阵论的预备知识 2.1.1 正定阵 2.1.2 特征值 2.1.3 矩阵的迹 2.1.4 矩阵范数 2.1.5 矩阵求逆引理 2.1.6 标量对矩阵求导 2.2 概率论的预备知识 2.2.1 概率密度函数 2.2.2 随机过程 2.2.3 随机过程的数字特征 2.3 随机系统模型 2.3.1 状态方程和观测方程 2.3.2 随机系统状态预测 2.4 方差下界分析方法 2.4.1 克拉美劳下界的概念 2.4.2 克拉美劳下界的计算 2.5 本章小结 参考文献 第3章 二乘法 3.1 二乘法推导 3.1.1 问题描述 3.1.2 算法推导 3.2 二乘法的特性 3.3 陀螺随机误差模型参数辨识 3.3.1 基本方法 3.3.2 陀螺的测量输出 3.3.3 随机误差模型形式 3.3.4 连续系统离散化 3.3.5 基于二乘法的参数辨识 3.3.6 数学仿真分析 3.4 星敏感器低频误差参数辨识 3.4.1 星敏感器低频误差 3.4.2 基于二乘法的参数辨识 3.4.3 数学仿真分析 3.5 本章小结 参考文献 第4章 卡尔曼滤波器 4.1 卡尔曼滤波器推导 4.1.1 问题描述 4.1.2 算法推导 4.1.3 i黾推计算流程 4.1.4 设计步骤 4.2 卡尔曼滤波器的性 4.3 航天器姿态确定 4.3.1 基本原理 4.3.2 姿态确定系统模型 4.3.3 基于卡尔曼滤波器的姿态确定算法 4.4 扩维卡尔曼滤波器 4.4.1 设计思路 4.4.2 结构形式 4.4.3 性能分析 4.5 星敏感器低频误差在轨校准 4.5.1 技术需求 4.5.2 面向误差校准的扩维系统模型 4.5.3 基于克拉美劳下界的可观度分析 4.5.4 数学仿真分析 4.6 本章小结 参考文献 第5章 扩展卡尔曼滤波器 5.1 扩展卡尔曼滤波器推导 5.1.1 i问题描述 5.1.2 贝叶斯估计 5.1.3 算法推导 5.1.4 递推计算流程 5.2 扩展卡尔曼滤波器的稳定性 5.2.1 随机过程有界性判据 5.2.2 稳定性分析 5.3 光学成像导航 5.3.1 基本原理 5.3.2 状态方程 5.3.3 观测方程 5.4 多敏感器信息融合 5.4.1 信息融合的概念和特点 5.4.2 信息融合的实施方式 5.5 脉冲星／光学组合导航 5.5.1 基本原理 5.5.2 X射线探测器数据式 5.5.3 脉冲到达时间差测定性能分析 5.5.4 基于紫外地球敏感器的导航性能增强 5.5.5 数学仿真分析 5.6 本章小结 参考文献 第6章 鲁棒卡尔曼滤波器 6.1 鲁棒卡尔曼滤波器推导 6.1.1 问题描述 6.1.2 不确定系统模型 6.1.3 优化准则 6.1.4 问题的求解 6.1.5 权矩阵的优化 6.1.6 递推计算流程 6.2 鲁棒卡尔曼滤波器的鲁棒性 6.2.1 分析方法 6.2.2 分析结果 6.3 基于鲁棒滤波的脉冲星导航 6.3.1 基本原理 6.3.2 鲁棒扩展卡尔曼滤波器 6.3.3 不确定系统模型 6.3.4 误差影响因素分析 6.3.5 数学仿真分析 6.4 本章小结 参考文献 第7章 多模型自适应估计 7.1 多模型自适应估计算法 7.1.1 问题描述 7.1.2 模型集的建立 7.1.3 递推计算流程 7.2 多模型自适应估计的收敛性 7.2.1 收敛性分析 7.2.2 新息方差阵分析 7.3 基于照相观测的星座自航 7.3.1 基本原理 7.3.2 系统模型集 7.3.3 数学仿真分析 7.4 星际连音自航 7.4.1 基本原理 7.4.2 系统模型集 7.4.3 可观度分析 7.4.4 数学仿真分析 7.5 本章小结 参考文献 第8章 并行卡尔曼滤波器 8.1 基于并行滤波器的敏感器误差校准 8.1.1 设计原则 8.1.2 系统模型 8.1.3 问题描述 8.1.4 递推计算公式 8.1.5 数学仿真分析 8.2 基于并行滤波器的噪声特性估计 8.2.1 问题描述 8.2.2 系统模型 8.2.3 递推计算公式 8.2.4 估计精度对比分析 8.2.5 相对位姿确定基本方法 8.2.6 相对位姿确定系统模型 8.2.7 数学仿真分析 8.3 本章小结 参考文献 第9章 强化学习卡尔曼滤波器 9.1 Q学习方法 9.1.1 基本思路 9.1.2 递推计算公式 9.1.3 收敛性分析 9.2 Q学习扩展卡尔曼滤波器设计 9.2.1 问题描述 9.2.2 状态集和动作集设计 9.2.3 递推计算流程 9.3 基于星间相对测量的星座自航 9.3.1 系统模型 9.3.2 仿真条件 9.3.3 仿真结果 9.4 天文观测相对论效应导航 9.4.1 基本原理 9.4.2 测量方式 9.4.3 系统模型 9.4.4 导航解算方式 9.4.5 数学仿真分析 9.5 本章小结 参考文献 第10章 结论与展望 10.1 航天器导航技术需求 10.2 航天器导航未来发展 10.2.1 全源定位与导航 10.2.2 脉冲星计时导航系统 10.2.3 北斗星座自主运行 10.2.4 天文观测相对论效应导航 10.3 卡尔曼滤波器的研究方向 10.4 结束语 参考文献