● 摘要
在火星探测中，火星车是在火星表面进行巡视探测的航天器，是火星探测必不可少的工具和手段。通过火星车在火星表面的探测活动，人们可以获取火星表面的环境资料，收集火星表面的岩石和土壤标本，从而完成科学探测任务。火星车通常借助地面站通过无线电测控进行导航控制，但由于地球和火星的自转和公转运动以及所带来的地面站和火星车相对地理位置的变化等，有时火星车会处于地面站无法测控的区域内；同时，火星车与地面的通讯也存在时延和带宽的问题。为了满足火星车在复杂环境下对长时间、远距离和高精度自主导航的要求，本文主要研究了捷联惯导初始对准与误差标定、火星车自主导航以及火星车故障检测与隔离方法等方面。主要工作有以下几点：
(1) 完成了捷联惯导系统误差模型的建立，研究了捷联惯导系统解析粗对准方法和基于卡尔曼滤波器的精对准方法，并进行了仿真研究。仿真结果与理论相吻合，水平失准角的收敛速度快，精度高，方位失准角的收敛时间长，精度低。
(2) 设计了两种天文辅助捷联惯导进行初始对准及误差标定方法——天文辅助捷联惯导初始对准方法以及捷联惯导天文复合两位置对准方法。通过利用天文导航系统提供的高精度姿态信息，捷联惯导系统输出的速度误差信息以及捷联惯导系统通过引入姿态变化可以提高系统误差模型的可观测性这一特点。能够提高捷联惯导系统对准的精度，并能标定惯性器件的误差，从而满足火星车对高精度初始对准及误差标定的要求。
(3) 设计了两种适用于火星车自主导航的方法——捷联惯导/天文自主导航以及捷联惯导/天文/视觉自主导航方法。通过利用捷联惯导系统短时间内精度高，天文导航系统定姿精度高，视觉导航系统定位精度高以及火星车自身运动特点，采用信息融合方法充分发挥他们各自的优点，能够满足火星车对长时间、远距离和高精度自主导航的要求。
(4) 设计了一种适用于火星车自主导航系统的故障检测技术。通过采用两个“状态递推器”，让它们两个交替工作，一个作故障检测用时，另一个被Kalman滤波器的输出校正，下一个周期两者的作用反过来。这样就可保持状态递推器的误差不逐渐扩大，克服了由于没有量测更新，状态递推值越来越偏离真实值的问题。