题目：小行星探测器自主导航与联合定姿算法研究

小行星探测具有科学研究、避撞和自然资源利用等应用价值，因而在深空探测任务中具有较广的应用前景。由于远距离地球通信导致定位有较长时间的通讯延迟，为此，本论文研究了小行星探测绕飞段和下降段敏感器完全观测和弱观测情况的自主导航和联合姿态确定算法，以及各算法滤波系统的可观测性分析，为我国未来小行星探测工程的实现提供理论依据和技术支持。首先，建立了小行星探测器的姿轨运动模型。给出了相对轨道动力学方程、小行星引力场模型和探测器受摄模型，以及姿态运动学、动力学和相对姿态确定模型。此后，研究了滤波系统可观测性评价方法，给出了秩和特征信息分析法。针对非线性时变系统，基于两个等价的可观测性定义，提出了一种新的相对运动弱观测系统可观测性评价方法，并给出了公式化的理论推导。在探测器绕飞小行星过程中，利用这种新的可观测性评价方法分析了仅光学导航相机和惯性测量单元（IMU），或者无陀螺工作的相对位姿确定弱观测系统的可观测性，通过公式给出了判断系统可观测性的条件，基于EKF算法验证了这种方法分析弱观测系统可观测性的有效性和可靠性。然后，提出了探测器绕飞段的自主导航与联合定姿算法。给出了全状态观测的自主相对导航系统模型，以及基于多矢量观测联邦滤波的自主相对姿态确定系统模型。研究并提出了仅视线观测的自主相对导航算法和有速率陀螺或无速率陀螺的仅视线观测的自主姿态确定算法，并分析了加机动和增加观测矢量对仅视线观测系统的可观测性影响。仿真结果表明，加机动可以提高自主相对导航系统的可观测性，增加观测矢量可以提高自主相对姿态确定系统的观测性，且联邦滤波可以有效提高整个系统精度。最后，当小行星下降段无法观测小行星整体轮廓时，基于光学导航相机观测的小行星表面图像的特征点信息，三个成一定角度安装的LIDARs观测的探测器到小行星的距离信息和加速度计测量的相对速度增量信息，提出了改进的探测器自主导航与联合定姿算法。并通过太阳敏感器、星跟踪器和惯性参考单元实现了探测器的惯性姿态确定算法。另外，为了建立观测误差模型，提出了考虑误差传播相关性的标准化矢量一阶观测误差的协方差阵解算器。数值仿真和可观测性评价方法讨论了敏感器完全观测和雷达弱观测系统的可观性，并验证了改进的自主导航和姿态确定算法的有效性。