● 摘要
动力学模型、量测模型及其滤波方法是火星探测自主导航技术的主要内容，直接影响着各项火星探测科学考察任务的成功实施。本学位论文结合国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”，针对火星着陆器在最终接近段、进入段和下降段的特点，考虑到动力学模型中的未知系统偏差、量测模型中的未知系统误差和它们的不确定性，研究建立了相应的动力学模型和量测模型，提出了其滤波方法，形成火星着陆器在复杂环境下的自主导航技术。论文的主要研究内容包括：
首先，针对火星着陆器的最终接近段，研究了基于X射线脉冲星的自主导航方法。一方面，考虑到火星附近各天体对火星着陆器的万有引力加速度、火星大气、太阳光压、火星重力场等因素的影响，研究给出了火星着陆器动力学模型在火星最终接近段中的噪声统计特性，建立了便于工程应用的火星最终接近段动力学模型，另一方面，考虑到钟差问题对X射线脉冲星到达时间的量测模型的影响，将位置、速度、时钟钟差、钟差漂移率和漂移率的变化率扩展在状态向量中，建立了一种新的扩维状态动力学模型。从而给出了火星最终接近段的自主导航方法，仿真结果与美国火星着陆器“好奇号”的最终接近段飞行结果吻合较好。
其次，针对火星着陆器大气进入段，研究了基于惯性单元（inertial measurement unit IMU）和星间无线电测距信息作为外部测量数据的自主导航方法。分析了火星着陆器动力学模型不确定性及状态初始值不确定性的误差传播规律及其对各状态向量影响的大小，建立了含有未知系统偏差的火星着陆器动力学模型。考虑到IMU和无线电测距信息中存在的未知量测系统误差，建立了相应的量测模型。鉴于火星着陆器动力学模型和量测模型的非线性特性，本论文还将Hmida等的线性鲁棒三步Kalman滤波算法发展为非线性鲁棒三步Kalman滤波算法，形成了基于IMU和无线电测距信息的大气进入段的自主导航方法。
然后，针对火星着陆器大气进入段动力学模型中参数不确定性通过上下界表示的情况，研究给出其对动力学模型干扰的上下界，建立了考虑这些干扰的动力学模型。考虑到IMU和无线电测距信息存在的量测系统误差在恶劣环境中为时变的情况，建立了相应的量测模型。研究了火星着陆器动力学模型、量测模型和相应导航滤波算法，分析了相应导航系统的非线性和计算量等特性，本论文发展了改进的非线性无偏最小方差滤波的导航算法，形成了相应的自主导航方法。
最后，针对火星着陆器动力下降段，研究了基于IMU/MVCA组合导航的动力学模型和量测模型。针对预估火星重力加速度存在未知系统偏差的情况，建立了将未知重力加速度偏差作为常值扩展在状态向量中的动力学模型。进一步还分析了IMU/MVCA的初始安装误差对火星动力下降段中动力学模型和量测模型的影响，建立了包含未知偏差和模型不确定性的动力学模型、含模型不确定性的量测模型。提出了两步鲁棒Kalman滤波方法来减小未知偏差和模型不确定性对导航精度的影响，形成了下降段的自主导航方法。