章 緒論
　　1.1 航天器自主導航概述
　　1.1.1 自主導航的定義及特點
　　航天器的導航係統通常分為自主和非自主兩大類.航天器自主導航是指航天器不依賴外界支持，完全依靠自身搭載設備，與外界不發生光電聯係的導航定位技術.美國學者Lemay提齣用下列四個特點來錶示航天器自主導航的概念:①自給或者獨立;②實時操作;③無輻射;④不依靠地麵設備.工程實踐一般認為，不依賴地麵支持，航天器能利用星上自帶設備實時確定自己狀態的方法，都稱為航天器自主導航.
　　1.1.2 航天器對自主導航技術的需求分析
　　目前對航天器的導航定位大多藉助地麵測控係統實現.然而隨著航天技術的發展，在軌航天器數目日益增多，極大增加瞭地麵測控係統的負擔.此外，日益復雜的空間任務也對航天器自主運行技術提齣瞭緊迫需求，而自主導航是航天器自主運行的核心，是提高航天器生存能力降低運營費用的關鍵技術.
　　1.1.2.1 提高近地航天器自主性的需要
　　近地航天器包括各種衛星飛船以及空間機動航天器跨大氣層飛行器等新概念航天器.它們擔負著數據傳輸偵察監視地麵測繪天氣預報等工作，已成為信息社會不可或缺的一部分.隨著社會的發展，近些年發射的近地航天器種類和數量急劇增加，地麵站對航天器進行跟蹤測控和數據處理的負擔也隨之加重.我國航天器的運行主要由較少的測控站船支持，測控點數量有限，分布相對集中，實時監測航天器運行狀態的時間弧段較短.這些有限的地麵測控站也很容易遭到乾擾而喪失其功能.
　　因此，為瞭降低地麵支持成本，提高生存能力，航天器應具有自主導航能力.按軌道高度，可將近地航天器分為低軌航天器和中高軌航天器.藉助衛星導航係統，低軌航天器已基本實現瞭自主導航，可完成如自主交會對接短期自主運行等任務.但衛星導航係統的覆蓋空間有限(僅支持軌道高度3000km 以下的航天器)，中高軌航天器難以接收到導航衛星信號，從而無法實現自主導航.然而，同低軌航天器相比，高軌航天器由於其軌道高度優勢，在日常生活中的作用更為重要.如何實現中高軌航天器的自主導航，正日益成為近地航天器自主導航研究的熱點.
　　1.1.2.2 提高深空探測器自主性的需要
　　進入21世紀，深空探測日漸成為世界航天活動的熱點.對太陽係行星小行星彗星等天體進行探測是人們認識自己瞭解太陽係和探索宇宙起源的重要途徑.深空探測器航行距離遠，任務周期長，對飛行任務中的各項關鍵技術都提齣瞭新的要求，尤其是導航定位技術.
　　目前，國際上開展的深空探測計劃大多采用地基無綫電導航技術.經過幾十年的建設與發展，以美國深空網為代錶的全球深空探測網已初具規模.深空網采用無綫電跟蹤技術，測量深空探測器相對於地麵測控站的距離和徑嚮速度，結閤地球等天體的星曆信息來估計深空探測器的所有狀態.該導航方法可靠性好，魯棒性強，在深空探測任務中得到瞭廣泛應用.
　　但該方法有以下幾個無法彌補的缺陷:
　　(1)導航過程需要持續的人為操作和頻繁的地麵測控站與深空探測器的通信.由於深空探測器與地球距離遙遠，深空探測器與地麵測控站的通信延遲巨大，從火星到地球的通信時延大可達45min，探測木星土星等天體時的通信時延會更大.通信信號還可能被太陽及其他天體遮擋，這極大降低瞭地麵測控站應對突發事件的能力，尤其對於載人深空探測任務更是十分危險.
　　(2)地麵測控資源消耗大.隨著深空探測器數目的增多，地麵測控的負擔日益加重.深空探測器的運行時間都比較長，從幾年到幾十年，在這麼長的時間內完全依賴地麵站測控實現深空探測器的導航，需要占用大量的地麵測控資源.
　　(3)導航精度低實時性差.針對深空天體的接近飛越撞擊等任務，要求深空探測器能夠獲得航天器相對目標天體的位置速度等信息.然而，深空探測的目標天體距離地球遠，在地麵建立的深空探測網，其測控信號強度隨距離衰減，測量距離每增加一個天文單位，測距誤差增大4km.僅依靠地麵測控技術無論是導航精度還是實時性都難以滿足這些特殊空間任務的需要.
　　另外，對於深空探測任務，足夠大的測控覆蓋率是保證任務取得成功的基礎.然而，由於地理及政治因素，我國不可能像美國一樣在全球布置測控站.因此，為瞭高效利用我國有限的測控資源，在推進深空探測的過程中，發展自主導航技術就顯得尤為重要.采用自主導航技術，深空探測器即使在與地麵通信聯絡完全中斷的情況下，仍然能夠完成軌道確定軌道保持等日常功能，具有較強的生存能力.因此，自主導航是未來深空探測任務的核心關鍵技術之一.
　　1.1.2.3 提高導航衛星星座自主性的需要
　　對於地麵及空中目標，導航衛星是主要的高精度定位和守時手段.而導航衛星自身的星曆誤差和時鍾誤差是影響地麵及空中目標導航精度的重要因素.目前，導航衛星自身的星曆及時鍾精度主要通過地麵監控係統按時編算和注入導航電文來保證.若地麵監控係統發生故障，整個衛星導航係統將陷入癱瘓.因此提高自主性是目前導航衛星發展的一個重要方嚮.
　　對於星座，通過建立星間無綫電鏈路，進行星間僞距觀測和數據通信，是實現高精度自主定軌的一種重要而有效的手段.美國的GPS(globalpositioningsystem)先提齣導航星座自主導航的概念，通過利用高精度星間測量和星曆預報信息來進行星座軌道和時間的自主在綫估計.但單純采用星間距離觀測進行星座自主定軌時存在秩虧問題，隻能確定星座內衛星之間的相對位置，無法測量星座的整體鏇轉.
　　“北鬥二代”導航係統是我國不可或缺的國傢空間基礎設施，對國傢安全和國民經濟具有重要的意義.如何實現“北鬥”導航星座的自主導航已成為一個具有重大戰略意義的新課題.
　　1.2 航天器自主導航係統分類及發展概況
　　1.2.1 慣性導航係統
　　慣性導航係統(inertialnavigationsystem，INS，簡稱慣導係統)通過測量航天器的視加速度和體坐標係相對於慣性坐標係的轉動角速度，利用積分運算，自行獲得航天器的瞬時速度位置和姿態等信息.慣性導航係統具有不依賴外界信息不嚮外輻射能量不受乾擾隱蔽性好的特點，且能連續地提供載體的導航參數，故廣泛應

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