● 摘要
基于视线测量的相对导航方法在自主轨道交会中是一项极为重要的技术，并且具有应用于在轨服务和小行星探测任务中的潜力。该导航方法所使用的仪器设备拥诸多诱人的优点，如质量轻、功耗低和结构紧凑等。本论文对视线测量相对导航及其可观测性问题进行方法上面的研究。这些研究可以为我国未来开展相关任务提供重要的理论和技术上的支持。
首先，建立了描述追踪航天器与目标航天器间相对轨道动力学的方程。介绍了常用坐标系以及在惯性坐标系和轨道坐标系下的相对轨道动力学方程。基于这些方程，给出了五类具有代表性的航天器间的相对运动构型。
其次，给出了用于分析基于视线测量相对导航系统的可观测性的方法。采用解析方法分析了轨道机动和中心天体引力差的二阶项对导航系统可观测性的影响。另外，介绍了五种具有代表性的可观测性数值分析方法。
然后，给出了惯性坐标系和轨道坐标系下单视线测量相对导航方法的数学模型，并进行了数值仿真。讨论了轨道机动、共面航天器偏心率之差和不共面航天器轨道倾角之差对该单视线相对导航方法可观测性的影响。通过数值仿真和可观测性分析，对扩展卡尔曼滤波(EKF)，无迹卡尔曼滤波(UKF)以及它们的平方根形式(SREKF, SRUKF)在该单视线导航系统中的表现进行了比较。
最后，研究了双视线测量相对导航方法及其可观测性问题。推导了该双视线方法的导航算法，包括系统噪声方程和测量方程，并进行了数值仿真验证。采用追踪航天器与目标航天器间的相对距离误差的传播方程以及数值分析方法对该双视线测量相对导航系统的可观测性问题进行了研究。此外，还分析追踪航天器间不同编队构型和不同的测量设备的精度对该导航系统精度的影响。