人類很早就有了飛天的夢(mèng)想，1944年，V2火箭成功地飛躍了Karman線，成為人類歷史上第一個(gè)到達(dá)太空的航天器。第二次世界大戰(zhàn)后，航天技術(shù)得到快速發(fā)展：彈道導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛船和空間站等航天器先后升空；載人登月成功實(shí)現(xiàn)；深空探測(cè)器不僅成功著陸火星，還飛向了太陽系的邊緣。蓬勃發(fā)展的航天技術(shù)不僅為我們揭開宇宙奧秘提供了鑰匙，也為我們過上更好的生活創(chuàng)造了條件。在航天器中，作為實(shí)時(shí)姿態(tài)、速度和位置等飛行狀態(tài)的測(cè)量單元，導(dǎo)航系統(tǒng)是最關(guān)鍵的分系統(tǒng)之一，實(shí)際上，在V2火箭的研究中，一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)就是研制導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)的正常工作是航天器自主飛行和完成各種精確任務(wù)的基礎(chǔ)，而航天器失效或任務(wù)失敗的主要因素之一就是導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，因此，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的性能（特別是可靠性）一直是航天器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過組合濾波算法，將兩個(gè)或兩個(gè)以上的導(dǎo)航系統(tǒng)組合起來，構(gòu)建成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅提高了導(dǎo)航精度，還提升了導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性，因此，組合導(dǎo)航系統(tǒng)在航天器中得到了普遍應(yīng)用。

目前，已經(jīng)有不少教材介紹了組合導(dǎo)航的原理和方法，從側(cè)重點(diǎn)上看，主要分為兩類：一類是以組合濾波算法為重點(diǎn)，以某種組合導(dǎo)航方法為應(yīng)用案例，介紹如何將濾波算法應(yīng)用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中；另一類是以導(dǎo)航方法為主，重點(diǎn)介紹導(dǎo)航原理和設(shè)計(jì)方法，將組合濾波算法視作設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之一，不作重點(diǎn)介紹。顯然，從側(cè)重點(diǎn)上看，由于前者過于重視濾波算法，而濾波算法只是組合導(dǎo)航的一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，這類教材并不適用于航天組合導(dǎo)航原理的教學(xué)。后者作為航天組合導(dǎo)航原理的教材似乎更為合適；但是，目前的相關(guān)教材通常是以慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航的組合為主，很少涉及天文導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和地形輔助導(dǎo)航等其他導(dǎo)航方法，對(duì)濾波算法的介紹也過于簡(jiǎn)潔，不利于讀者對(duì)相關(guān)原理的學(xué)習(xí)和掌握。另外，目前大部分的教材均未提供相關(guān)例程，不利于初學(xué)者理解和掌握相關(guān)算法，以及其后續(xù)應(yīng)用。

針對(duì)這些問題，作者以航天器為應(yīng)用對(duì)象，編寫了這本以典型的導(dǎo)航原理和濾波算法原理介紹為重點(diǎn)的教材，在加強(qiáng)基本原理講解的同時(shí)，配備了適當(dāng)?shù)睦�題，以解釋和示范有關(guān)原理和方法；針對(duì)大部分導(dǎo)航和濾波算法，配備了示范編程代碼，提供了可以執(zhí)行的算法程序，以加深讀者對(duì)有關(guān)算法的理解，讀者后續(xù)可以基于這些例程進(jìn)行更復(fù)雜的應(yīng)用編程。

本教材主要包括如下幾部分：

（1） 緒論和相關(guān)基礎(chǔ)部分。這部分由第1章和第2章組成，其中：第1章主要介紹航空器與航天器的區(qū)別、航天器的組成、航天導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展歷史和未來發(fā)展趨勢(shì)，幫助讀者建立組合導(dǎo)航的基本概念；第2章主要介紹本教材用到的向量、矩陣和隨機(jī)過程等相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)，以及本教材使用到的主要坐標(biāo)系、時(shí)間系統(tǒng)和地球重力場(chǎng)模型等基礎(chǔ)知識(shí)，為讀者學(xué)習(xí)后續(xù)的算法和導(dǎo)航原理奠定基礎(chǔ)。

（2） 典型航天導(dǎo)航原理部分。這部分由第3章至第7章組成：第3章介紹捷聯(lián)慣性導(dǎo)航原理，包括陀螺儀、加速度計(jì)、標(biāo)定與誤差建模、導(dǎo)航解算、初始對(duì)準(zhǔn)和高動(dòng)態(tài)解算等工作原理和解算算法；第4章介紹全球衛(wèi)星導(dǎo)航原理，包括無線電定位原理、衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成、信號(hào)接收處理和導(dǎo)航解算等；第5章介紹地形輔助導(dǎo)航原理，包括地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成、SITAN匹配算法、TERCOM匹配算法和3D Zernike矩匹配算法等；第6章介紹視覺導(dǎo)航原理，包括雙目立體視覺位姿測(cè)量原理、相機(jī)標(biāo)定方法、圖像預(yù)處理方法、圖像特征提取方法和航天視覺導(dǎo)航應(yīng)用等；第7章介紹天文導(dǎo)航原理，包括典型的天文導(dǎo)航敏感器和星敏感器定姿原理、天文定位原理和基于地球觀測(cè)的天文定位原理等。

（3） 組合濾波算法和典型慣性基組合導(dǎo)航方法與應(yīng)用部分。這部分由第8章和第9章組成：第8章介紹狀態(tài)線性估計(jì)原理和算法，包括狀態(tài)預(yù)測(cè)、狀態(tài)濾波、Kalman濾波和性能分析方法等，為讀者學(xué)習(xí)組合導(dǎo)航的濾波算法打下理論基礎(chǔ)；第9章介紹兩種典型的慣性基組合導(dǎo)航系統(tǒng)，分別為衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航和天文/慣性組合導(dǎo)航，并從組合模式、狀態(tài)建模、量測(cè)建模和濾波算法構(gòu)建等方面進(jìn)行全面介紹，并給出編程示范。

本教材的每一章均配備了一定量的習(xí)題，供讀者鞏固有關(guān)知識(shí)點(diǎn)。在有關(guān)算法介紹部分，為大部分算法配備了例程，讀者可以參考有關(guān)程序編制自己的算法程序。

本教材的第6章和第7章分別由北京航空航天大學(xué)的孟偲和王海涌負(fù)責(zé)編寫，其余章節(jié)由北京航空航天大學(xué)的王可東和周俊杰負(fù)責(zé)編寫。

由于作者水平有限，教材中難免有不當(dāng)之處，歡迎讀者批評(píng)指正。

作者

2024年7月