本书聚焦火星探测器全流程自主导航技术，系统梳理巡航段、捕获段、环绕段导航理论与工程方法，针对深空通信时延大、测控依赖度高、轨道非线性强等难题，构建多源测量融合导航体系。书中重点阐述火星卫星光学测量、地面多普勒辅助测量、星间无线电测量、X射线脉冲星测量等核心手段，提出消除姿态误差的观测模型、火星质心基准脉冲星测量方法，以及基于无奇点轨道根数与UKF滤波的自主导航方案。通过大量仿真验证方案可行性，给出星载轨道递推与上注策略，兼具理论创新性与工程实用性，可作为深空探测等领域科研人员与工程技术人员的参考用书，也可供高等院校相关专业师生学习使用。

第1章绪论1

1.1研究背景1

1.2自主导航技术研究综述3

1.2.1国内外研究现状3

1.2.2导航信标和测量手段5

1.2.3自主导航算法6

1.3本书的主要内容和研究成果9

1.3.1本书的工作9

1.3.2主要创新点10

第2章时空系统、滤波算法和摄动分析12

2.1时间系统12

2.2空间系统14

2.2.1天体质心坐标系 14

2.2.2探测器质心坐标系 17

2.3估计和滤波算法19

2.3.1状态估计 19

2.3.2EKF滤波算法20

2.3.3UKF滤波算法21

2.4环火轨道摄动分析22

2.5本章小结24

第3章基于火星卫星和太阳视向测量的巡航段自主导航25

3.1引言25

3.2巡航段动力学模型26

3.3测量模型26

3.3.1光学照相方法的测量模型26

3.3.2基于太阳光谱多普勒位移的测量模型30

3.3.3巡航段场景和测量可见性分析31

3.4巡航段仿真算例34

3.4.1仿真设置34

3.4.2火卫一的光学测量35

3.4.3火卫二的光学测量37

3.4.4光学测量+太阳视向速度39

3.4.5仿真结论43

3.5本章小结44

第4章基于扩维状态估计的捕获段自主导航45

4.1引言45

4.2捕获段动力学模型45

4.3测量模型47

4.3.1捕获段火星卫星光学照相方法测量47

4.3.2基于地面辅助多普勒测量47

4.3.3基于太阳光谱位移测量49

4.3.4惯性测量50

4.4捕获段仿真算例50

4.4.1仿真设置50

4.4.2接近段仿真53

4.4.3制动段仿真58

4.4.4仿真结论63

4.5本章小结63

第5章多源测量信息融合的环绕段自主导航64

5.1引言64

5.2环绕段动力学模型65

5.3测量模型67

5.3.1SST测量67

5.3.2X射线脉冲星测量68

5.4观测场景和可见性72

5.5环绕段仿真算例76

5.5.1仿真设置76

5.5.2火星卫星光学测量79

5.5.3火星卫星光学测量联合SST测量82

5.5.4X射线脉冲星测量85

5.5.5多源测量信息融合87

5.5.6环绕段仿真结论89

5.6本章小结90

第6章基于无奇点根数动力学模型的环绕段自主导航91

6.1引言91

6.2无奇点轨道根数动力学模型92

6.3火星引力场田谐项摄动分析94

6.4仿真分析97

6.4.1光学测量联合SST测量自主导航97

6.4.2仅SST测量自主导航98

6.4.3仿真结论108

6.5本章小结109

第7章基于实时轨道递推的全过程自主导航110

7.1星载轨道预报算法110

7.1.1星载轨道递推算法流程110

7.1.2轨道拟合系数计算方法112

7.2星载轨道预报仿真计算结果114

7.2.1轨道根数拟合结果114

7.2.2不同拟合方法分析117

7.2.3轨道外推策略分析120

7.2.4轨道上注策略分析126

7.2.5结论131

7.3本章小结132

第8章总结与展望133

8.1总结133

8.2展望135

参考文献136

随着星载计算机和自主测量技术的快速发展，在超远距离信号传输、星地大时延通信、物理干扰深远空间信号传播等限制条件下，为了支持更多的深空探测飞行任务，减少深空探测器对地面测控系统的依赖性，提高深空探测器自主飞行与控制的能力，深空探测器自主导航的需求越来越迫切。火星是人类深空探测的一个重要目标，火星探测器的自主导航是火星探测任务成功实施的关键。本书针对火星探测任务，深入研究了火星探测器在巡航段、捕获段、环绕段的自主导航方法和技术。

针对火星探测器巡航段的飞行特点，本书提出了联合利用火星自然卫星光学测量和基于太阳光谱多普勒位移的太阳光线视向速度测量以实现自主导航的方法，在此过程中，提出了可以消除探测器姿态误差和设备安装误差的火星卫星的光学测量模型。

基于火星探测器在轨道捕获段的自主导航中可以利用地面测量的特点，本书提出了探测器单向接收地面站发射无线电多普勒信号并处理得到测速数据，再与火星卫星光学测量等其他测量手段联合自主导航的技术方案，可以有效提高捕获段的导航精度。本书对探测器轨道制动过程建立了对轨道控制推力相关参数的估计方法，同时联合利用外部测量信息和加速度计测量数据，可以准确估计发动机推力、剩余质量和推进剂秒耗量等参数，有效提高轨道制动过程的自主导航精度。

针对火星探测器环绕段的飞行特点，本书提出了联合使用火星卫星光学测量、星间无线电测量（SST测量）和X射线脉冲星测量的自主导航方法。本书提出了采用现有技术条件下可以实现并且精度很高的SST测量与光学测量方式联合自主导航的方法，可以大幅提高环绕段的导航精度。同时本书建立了可以适应火星环绕段以火星质心为基准的X射线脉冲星TOA测量模型，在不损失精度的情况下极大降低了星载实时计算的复杂性。

针对环绕段仅有SST测量在二体意义下导航系统不可观的问题，本书提出了考虑火星引力场田谐项等摄动加速度对仅有SST测量时实现可观的技术方案。本书提出的自主导航方法采用无奇点根数形式的状态变量，同时基于UKF滤波器和采用高精度的动力学模型，有效减小环绕段的轨道动力学模型的非线性，仅依靠星间测量即可实现火星探测器高精度自主导航。导航精度可以达到SST与其他测量方式联合导航的精度，尤其是半长轴可以达到更高的精度，能满足星载光学设备对火星地表地貌的科学观测需求。

在火星探测器各个飞行阶段过程中，通过对EKF和UKF滤波器进行仿真对比计算，本书得出了不同情况下两种滤波器各自的优缺点，为根据探测器的星载计算机性能、测量手段、采样频率等情况在实际中选择和设计滤波器提供了有益的参考。

本书适合于进行航天器轨道计算的高年级本科生、研究生以及相关工程技术人员使用，也可为我国未来火星探测器的设计和研制提供重要的技术支撑。