● 摘要
自主天文导航是目前深空探测器捕获段常用的一种导航方式。由于在捕获段探测器的自主导航精度对后续探测器的入轨精度影响较大，因此提高深空探测器捕获段自主导航精度具有重要意义。捕获段探测器与目标天体距离十分接近，此时的探测器所处的动力学环境较为复杂。目标天体附近的部分非引力加速度对深空探测器的轨道动力学模型影响很大，探测器所受到的引力加速度随时间变化导致轨道动力学模型精度随之变化；同时在观测目标天体在敏感器上的成像时，随着与目标天体的靠近观测天体成像大小的变化引起量测模型噪声的不断变化，最终导致模型噪声统计特性的时变进而造成滤波参数难以精确设置。这些因素最终都将影响捕获段深空探测器的导航精度和稳定性。针对深空探测器捕获段噪声统计特性时变导致的滤波精度下降问题，通过非线性时变滤波方法提高该阶段的导航滤波精度是目前研究的一个核心问题。本论文以深空探测任务为背景，对深空探测器捕获段的非线性时变滤波方法进行了深入、系统的研究。
具体研究内容如下：
首先，深入研究了深空探测器天文导航系统三种常用的导航方式：纯天文几何解析方法、最小二乘估计方法和基于轨道动力学的滤波方法。定性分析了深空探测器捕获段天文导航中不同模型误差对导航滤波精度的影响；详细介绍了最小二乘估计方法以及无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter, UKF）和容积卡尔曼滤波（Cubature Kalman Filter, CKF）两种常用非线性滤波方法。
其次，针对时变噪声统计特性研究了三种常用的自适应滤波方法。介绍了在线调节滤波器，分析了该方法如何根据滤波过程中新息序列和状态估计残差序列来计算噪声方差阵的调节因子；详细介绍了基于极大似然法实时估计状态模型噪声方差阵和量测模型噪声方差阵的自适应方法；研究了多模型自适应滤波，具体介绍了该方法的基本原理和推导过程。
然后，在传统自适应滤波方法的基础上研究了两种改进的自适应滤波方法：自适应调节状态模型噪声方差阵的滤波方法和自适应调节量测模型噪声方差阵的滤波方法。根据传统的两种利用不同信息计算调节因子的自适应方法，研究了一种针对时变状态模型噪声方差阵改进的自适应调节方法，给出了该改进方法的具体推导过程及其仿真验证分析；针对量测模型噪声方差阵的时变问题，在传统对噪声方差阵进行估计的基础上，研究了一种改进的自适应调节量测噪声方差阵的滤波方法，同样给出了该改进方法详细的理论推导，并对其中的影响因素和导航性能进行了分析和仿真验证。
最后，在自适应调节噪声方差阵或调节估计误差方差阵的基础上研究了利用多模型滤波方法解决模型噪声方差阵的时变问题。研究了将纯天文几何解析方法与滤波方法相结合的交互多模型自适应方法，该方法可有效地克服捕获段探测器天文导航系统模型精度时变问题，保证滤波收敛并具有较高的导航精度；研究了一种结合自适应调节估计误差方差阵和多模型滤波的改进算法，详细分析了该方法在自适应调节稳定性和对时变噪声方差阵的跟踪特性等方面相对于单独使用一种自适应滤波方法的优点。
本文研究成果可为未来深空探测器捕获段高精度自主天文导航系统的研究提供参考。