传统惯性/天文组合导航的工作原理一般有天文测星输出的ψ角直接解析并校正惯导速度、位置和ψ角作量测估计并间接校正惯导速度、位置两种。针对这两种工作原理中未充分利用可观测度较大的陀螺常值零偏估计信息而导致长航时、短航时组合导航效果不理想的问题，提出全固态捷联式惯性/天文组合导航技术，将捷联式惯导和大视场星敏感器固连，以欧拉误差角作为Kalman滤波器的量测信息，实时估计并反馈陀螺常值零偏用于校正捷联惯导系统，可快速有效抑制各种由陀螺漂移引起的误差。实测数据仿真表明：以欧拉误差角作为Kalman滤波器的量测信息可使经度误差、纬度误差、航向角误差和陀螺常值零偏快速稳定、收敛，长航时试验中可使经度误差不大于0.5 nmile、纬度误差不大于0.2 nmile、航向误差30″，短航时试验中可使经度误差不大于0.25 nmile、纬度误差不大于0.12 nmile、航向误差20″。因此，该算法对于长时导航和短时导航都具有良好的适应性，具有实用价值和研究意义。

为了减小导航星库容量,提出了一种星敏感器导航星筛选算法。将在全天球上生成的均匀分布的光轴随机矢量作为蒙特卡罗实施样本,将每个光轴矢量确定的外接圆视场内的亮星依次作为星子集,将星子集在建星库中没有的星增补进在建星库,并丢弃重复星,遍历所有实施样本后即得到导航星库。仿真条件如下：星敏感器视场为15°×15°,极限星等为5.6 m,星间角距阈值为1°,星图匹配环节所需导航星数为15。此算法构建的导航星库改善了导航星分布的均匀性,在适应星图匹配的充要性意义上,星库中的导航星数达到最少,进而减少了匹配模式库的条数,降低了内存需求,这对星敏感器设计具有工程实用价值。

惯性平台辅助的小视场星体跟踪器工作受气象条件、惯导精度、伺服测角精度等众多复杂因素的影响。为了能够量化分析各误差因素, 提高天文导航精度, 研究了星体跟踪器的星图模拟技术。根据星体跟踪器测星原理推导并建立了星图模拟的数学模型。依据该模型设计了星图模拟仿真软件, 仿真模拟了各误差因素对测星效果的影响。仿真结果验证了模型的正确性, 从而可以为星体跟踪器测星及天文导航算法设计提供理论依据。

天文导航是通过探测恒星并利用其在天体坐标中的已知位置信息,反解出探测平台姿态信息。无论是在可见光波段,还是在近红外波段对恒星进行探测,由于飞行器的快速运动和持续曝光时间的存在,在拍摄恒星图像时,容易造成星图的运动模糊,给后续的星图匹配和导航定位精度造成影响。针对星敏感器拍摄到的星图,在运动参数未知的情况下,利用Roberts边缘检测算子和自相关的方法分别确定出点扩散函数的方向和尺度参数,然后采用有约束的最小二乘滤波来复原恒星图像,取得了较好的效果,为天文导航后续的恒星位置确定及星图匹配奠定了基础。

天文导航技术已经进入一个新的发展阶段，随着电子技术和计算机技术的发展，它已广泛应用于卫星、航天飞机、远程导弹和其他航天器。星点质心位置是天文导航技术的关键。由于白天强烈天空背景的干扰，拍摄的近红外恒星图像信噪比很低。首先，采用信息熵的方法来进行分析恒星的图像能量分布。然后，提出了基于多级的最小能量差星点目标质心定位的方法。此方法使用线性叠加，以缩小质心区域范围，使用恒星能量分布的对称性出现的最小差值时，得到星点质心坐标。通过测试自然拍摄的图像来验证算法的准确性。实验表明：该方法具有良好的低信噪比条件下的质心定位精度。

为了确定三视场定位定向设备各个误差源对定位定向误差的影响，建立了定位定向的误差分析模型。首先，给出了三视场导航设备采用空间解析几何法进行定位定向的原理。其次，指出影响定位定向的各个误差源,归纳分析了误差源的特性、概率分布以及误差源对定位定向信息对的影响。然后，利用定位定向原理建立起定位定向误差分析模型。最后，利用蒙特卡罗法进行误差仿真分析。仿真结果表明系统的定位均值误差为121.0 m；定向均值误差为7.4″，并指出定位定向主要的误差源是水平测量误差，其次是垂线偏差数据的误差。野外实验表明，该系统的定位均值误差为182.12 m；定向均值误差为9.3″，水平测倾角的误差对定位定向结果的影响最大。

为了提高三视场定位定向设备可靠性，建立三视场系统功能的基本约束条件测试模型，以模型为依据对可见光波段的视场进行优化分析。首先，分析了设备正常完成工作时采用组合星图识别和简单星图识别所需的必要条件，并建立这两种识别方式关于视场大小的概率分布模型。从原理和实验数据两个方面说明了三视场结构识别三角形概率分布不能通过单视场的概率分布简单推导获取的原因。接着，给出用蒙特卡洛法求取此概率分布和视场最优值的方法。然后，通过仿真分析得出了两种识别方法关于视场大小的概率分布，在分析两种识别方法仿真数据的基础上，取识别概率为1时视场大小为其优化值。实验结果表明：以组合星图识别为工作基础的三视场定位定向设备有更好的可靠性，优化的视场大小为4.225°×3.168 75°。它满足三视场定位定向设备识别条件可靠性要求。

研究了基于最小损失函数法的三视场定位定向中各个误差源对定位定向准确度的影响.给出了基于最小损失函数进行三视场天文定位定向的数学模型, 结合模型归纳了定位定向的误差源及其特性, 分析了误差源对定位定向信息对的影响.最后, 建立了定位定向误差仿真模型, 并利用蒙特卡罗法进行误差仿真分析.仿真结果表明系统的定位准确度为88.1 m, 定向准确度为3.0″.分析指出定位定向主要的误差源是水平测量误差, 其次是垂线偏差数据误差.野外实验表明, 该系统的定位准确度为163.0 m, 定向准确度为3.5″, 水平测倾角的误差对定位定向结果的影响较大.

当传统的天文导航系统应用于大气层内的载体时,在白天条件下极易受到强天空背景辐射影响而饱和,失去星体探测能力,严重影响了天文导航系统全天时导航能力。指出白天测星的本质是要解决测星灵敏度与动态范围之间的矛盾。引用国外在短波红外白天测星技术上的研究结论,结合目前技术发展水平提出采用较为合适的短波红外探测器。分析了短波红外白天测星技术需要解决的几个关键问题,给出了短波红外白天测星技术应用现状及发展方向。

研究了三视场天文导航视场间导航星的选取方法, 以提高其视场间星图识别的效率, 减小识别特征数据库规模。根据三视场天文导航星图识别的特点, 分析了导航视场间导航星数目对视场间三角形星图识别的影响。考虑视场间三角形星图识别的需求, 给出了任意视场至少包含1颗导航星和亮星优先选取的视场间导航星选取准则。然后, 遵从上述准则提出了一种基于星等优先的一阶自组织导航星选取算法。利用提出的算法制备了视场间导航星星库, 并对该导航星星库的性能进行了仿真分析和外场实验。实验结果表明: 使用该算法制备的导航星星库规模较星等阈值过滤方法制备的星库规模降低了53.91%, 且库中导航星分布均匀, 符合视场间导航星的要求。