章 绪论
　　1.1 航天器自主导航概述
　　1.1.1 自主导航的定义及特点
　　航天器的导航系统通常分为自主和非自主两大类.航天器自主导航是指航天器不依赖外界支持，完全依靠自身搭载设备，与外界不发生光电联系的导航定位技术.美学者Lemay提出用下列四个特点来表示航天器自主导航的概念:①自给或者独立;②实时操作;③无辐射;④不依靠地面设备.工程实践一般认为，不依赖地面支持，航天器能利用星上自带设备实时确定自己状态的方法，都称为航天器自主导航.
　　1.1.2 航天器对自主导航技术的需求分析
　　目前对航天器的导航定位大多借助地面测控系统实现.然而随着航天技术的发展，在轨航天器数目日益增多，极大增加了地面测控系统的负担.此外，日益复杂的空间任务也对航天器自主运行技术提出了紧迫需求，而自主导航是航天器自主运行的核心，是提高航天器生存能力降低运营费用的关键技术.
　　1.1.2.1 提高近地航天器自主性的需要
　　近地航天器包括各种卫星飞船以及空间机动航天器跨大气层飞行器等新概念航天器.它们担负着数据传输侦察监视地面测绘天气预报等工作，已成为信息社会不可或缺的一部分.随着社会的发展，近些年发射的近地航天器种类和数量急剧增加，地面站对航天器进行跟踪测控和数据处理的负担也随之加重.我航天器的运行主要由较少的测控站船支持，测控点数量有限，分布相对集中，实时监测航天器运行状态的时间弧段较短.这些有限的地面测控站也很容易遭到干扰而丧失其功能.
　　因此，为了降低地面支持成本，提高生存能力，航天器应具有自主导航能力.按轨道高度，可将近地航天器分为低轨航天器和中高轨航天器.借助卫星导航系统，低轨航天器已基本实现了自主导航，可完成如自主交会对接短期自主运行等任务.但卫星导航系统的覆盖空间有限(仅支持轨道高度3000km 以下的航天器)，中高轨航天器难以接收到导航卫星信号，从而无法实现自主导航.然而，同低轨航天器相比，高轨航天器由于其轨道高度优势，在日常生活中的作用更为重要.如何实现中高轨航天器的自主导航，正日益成为近地航天器自主导航研究的热点.
　　1.1.2.2 提高深空探测器自主性的需要
　　进入21世纪，深空探测日渐成为世界航天活动的热点.对太阳系行星小行星彗星等天体进行探测是人们认识自己了解太阳系和探索宇宙起源的重要途径.深空探测器航行距离远，任务周期长，对飞行任务中的各项关键技术都提出了新的要求，尤其是导航定位技术.
　　目前，际上开展的深空探测计划大多采用地基无线电导航技术.经过几十年的建设与发展，以美深空网为代表的全球深空探测网已初具规模.深空网采用无线电跟踪技术，测量深空探测器相对于地面测控站的距离和径向速度，结合地球等天体的星历信息来估计深空探测器的所有状态.该导航方法可靠性好，鲁棒性强，在深空探测任务中得到了广泛应用.
　　但该方法有以下几个无法弥补的缺陷:
　　(1)导航过程需要持续的人为操作和频繁的地面测控站与深空探测器的通信.由于深空探测器与地球距离遥远，深空探测器与地面测控站的通信延迟巨大，从火星到地球的通信时延大可达45min，探测木星土星等天体时的通信时延会更大.通信信号还可能被太阳及其他天体遮挡，这极大降低了地面测控站应对突发事件的能力，尤其对于载人深空探测任务更是十分危险.
　　(2)地面测控资源消耗大.随着深空探测器数目的增多，地面测控的负担日益加重.深空探测器的运行时间都比较长，从几年到几十年，在这么长的时间内完全依赖地面站测控实现深空探测器的导航，需要占用大量的地面测控资源.
　　(3)导航精度低实时性差.针对深空天体的接近飞越撞击等任务，要求深空探测器能够获得航天器相对目标天体的位置速度等信息.然而，深空探测的目标天体距离地球远，在地面建立的深空探测网，其测控信号强度随距离衰，测量距离每增加一个天文单位，测距误差增大4km.仅依靠地面测控技术无论是导航精度还是实时性都难以满足这些特殊空间任务的需要.
　　另外，对于深空探测任务，足够大的测控覆盖率是保证任务取得成功的基础.然而，由于地理及政治因素，我不可能像美一样在全球布置测控站.因此，为了高效利用我有限的测控资源，在推进深空探测的过程中，发展自主导航技术显得尤为重要.采用自主导航技术，深空探测器即使在与地面通信联络完全中断的情况下，仍然能够完成轨道确定轨道保持等日常功能，具有较强的生存能力.因此，自主导航是未来深空探测任务的核心关键技术之一.
　　1.1.2.3 提高导航卫星星座自主性的需要
　　对于地面及空中目标，导航卫星是主要的高精度定位和守时手段.而导航卫星自身的星历误差和时钟误差是影响地面及空中目标导航精度的重要因素.目前，导航卫星自身的星历及时钟精度主要通过地面监控系统按时编算和注入导航电文来保证.地面监控系统发生故障，整个卫星导航系统将陷入瘫痪.因此提高自主性是目前导航卫星发展的一个重要方向.
　　对于星座，通过建立星间无线电链路，进行星间伪距观测和数据通信，是实现高精度自主定轨的一种重要而有效的手段.美的GPS(globalpositioningsystem)先提出导航星座自主导航的概念，通过利用高精度星间测量和星历预报信息来进行星座轨道和时间的自主在线估计.但单纯采用星间距离观测进行星座自主定轨时存在秩亏问题，只能确定星座内卫星之间的相对位置，无法测量星座的整体旋转.
　　“北斗二代”导航系统是我不可或缺的空间基础设施，对安全和民经济具有重要的意义.如何实现“北斗”导航星座的自主导航已成为一个具有重大战略意义的新课题.
　　1.2 航天器自主导航系统分类及发展概况
　　1.2.1 惯性导航系统
　　惯性导航系统(inertialnavigationsystem，INS，简称惯导系统)通过测量航天器的视加速度和体坐标系相对于惯性坐标系的转动角速度，利用积分运算，自行获得航天器的瞬时速度位置和姿态等信息.惯性导航系统具有不依赖外界信息不向外辐射能量不受干扰隐蔽性好的特点，且能连续地提供载体的导航参数，故广泛应用于航天航空航海军事领域.
　　惯导系统通常由陀螺仪加速度计组成.其中，陀螺仪误差对惯导系统位置误差的影响随时间的三次方积累.而高精度的陀螺仪制造困难，成本昂贵，因此惯性技术界一直在寻求能够提高陀螺仪的精度且降低系统成本的有效方法.目前广泛使用的陀螺仪包括机械陀螺和光学陀螺.
　　机械陀螺是一种基于机械转子的定向性和进动性来敏感角速率或角位移的装置.1852年，法物理学博科初步提出了建立陀螺仪的设想.进入20世纪之后，机械陀螺仪技术在军事工业等需求的刺激下得到了快速发展，相继出现了浮力陀螺和静电陀螺，其中浮力陀螺还包括液浮陀螺气浮陀螺磁悬浮陀螺等.为了降低成本，又发展出了振动式陀螺.振动式陀螺包括半球谐振陀螺仪石英音叉振动式陀螺仪和微机电陀螺等.
　　光学陀螺主要有三大类:激光陀螺光纤陀螺和集成光学陀螺.其中激光陀螺和光纤陀螺已经得到广泛应用，集成光学陀螺目前正处在研究开发阶段，具有良好的应用前景.
　　除了机械陀螺和光学陀螺，随着激光冷却等原子光学技术的进步，利用冷原子作为波源的冷原子干涉陀螺仪正在快速发展，有望成为惯性导航领域颇具发展潜力的新型陀螺技术.
　　按照惯性测量值的获取方式不同，可将惯导系统分为平台式惯导系统(gimGballedinertialnavigationsystem，GINS)和捷联式惯导系统(strapdowninertialnaviGgationsystem，SINS).为了提高惯导系统的精度，除了从硬件制造水平上和算法改进上继续努力外，还需对惯导系统测量误差模型有深刻的认识，并对测量信息进行高精度补偿.随着使用环境的变化，惯导误差模型的参数会发生改变，导致实验室条件下的标定参数可靠性下降.对此可采用弹载试验火箭橇试验和车载试验等方法对惯导误差模型进行系统性检验.
　　1.2.2 天文导航系统
　　天文导航系统是通过测量自然天体方位等信息来确定航天器位置和姿态的一种导航方式.天文导航系统自主性强抗干扰能力强可靠性高，可同时获得位置和姿态信息，且具有导航误差不随时间积累的优点.
　　天文导航系统是一种古老而又年轻的导航方式，早应用于航海.20世纪50年代以来，电子技术计算机技术和航天技术的迅猛发展，开启了天文导航系统在航天器导航领域的应用.美的阿波罗载人登月计划和前苏联的空间站均使用了天文导航系统.
　　单纯利用恒星方位测量信息只能获得卫星的姿态信息，为了确定卫星的位置，还须获得卫星相对于近天体的位置信息.对于人造卫星，该近天体一般为地球，有时也选择月球.
　　根据近天体测量信息获取方式的不同，可分为直接敏感地平导航方法和间接敏感地平导航方法.
　　直接敏感地平导航方法采用地平敏感器与星敏感器和惯性测量单元提供卫星的位置和姿态信息.
　　20世纪60年代，美空军启动了项卫星自主导航计划———283计划.该计划设计的导航系统包括姿态基准系统(三个捷联陀螺和一个框架式星敏感器)地平敏感器星上计算机和时钟.研究表明，该系统的导航精度主要受到地平敏感器误差的限制，预期的轨道确定精度为2km.该计划完成了一些元器件试验，但整个计划停滞在实验室阶段.
　　1973年，美空军启动了空间六分仪自主导航和姿态基准系统(space tentGautonomous navigation and attitude reference system，SS/ANARS).该系统由安装在一个三自由度转动平台上的两台光学望远镜构成，其中一台望远镜用于跟踪月球明亮的边缘，另一台望远镜用于跟踪一颗已知的恒星，由两条视线之间的夹角构成基本观测量进行导航计算.相应的系统性能指标为:姿态确定精度0.6″，定位精度224m.空间六分仪的正式工程样机在1982年于航天飞机上进行了部分轨道飞行试验.
　　基于星光折射的间接敏感地平导航方法利用高精度的星敏感器和大气对星光折射的数学模型及误差补偿方法实现航天器的定位.1979年，美开始研制一种低成本捷联式模块化的姿态基准导航系统——多任务姿确定与自主导航系统(mulitmissionattitudedeterminationandautonomousnavigation，MADAN).该系统利用三台星敏感器，能提供实时连续的惯性姿态和轨道信息，且具有全自主长寿命等特征.该系统的目标定位精度为0.9km(低轨)和9km(高轨).1984年，系统的全套样机进行了实验室试验.
　　除了敏感地平的方法，美Microcosm 公司于1989年研制了一种利用星载专用自主导航敏感器对地球月球和太阳进行测量，实时确定航天器轨道和姿态的系统———麦式自主导航系统(microcosmautonomousnavigationsystem，MANS).该系统基于一个导航敏感器的测量值即可以完成自主导航和三轴姿态确定的任务，可以应用于中低轨道卫星，其导航敏感器由通常的圆锥扫描式红外地球敏感器经过改进而成，具有质量小功耗低成本低廉等优势.1994年3月，该系统搭载在“空间试验平台-零号”航天器上的TAOS(technologyforautonomousoperationalsurvivGability)进行了可行性及关键技术试验验证.遗憾的是，由于星载计算机出现故障，MANS的空间测量数据只能下传到地面分析，估计定位精度为200~500m.
　　进入21世纪，美法日本等掀起了新一轮的深空探测热潮.随着光学测量设备星敏感器等导航敏感元器件的工艺水平日益提高，基于天文观测的深空探测自主导航系统逐渐在深空探测任务中成为辅助地面测控系统的一个重要备份导航系统.美的 X射线脉冲星导航理论与应用 郑伟 电子书 下载 mobi epub pdf txt

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