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星及其卫星，探测其有关生命活动的信息。
1.3 本文主要内容和结构安排
本文主要就深空探测的现状和趋势， 探讨一种结合北斗卫星导航和天文导航对在
轨卫星进行组合导航的导航方式， 这种导航方式可进一步推广到对所有宇宙空间的航
天器进行导航。全文共分为四章，主要内容包括深空组合导航的基本理论、扩展卡尔
曼滤波算法（EKF）和组合导航系统的结构设计及仿真分析等。
第一章首先介绍了本文研究背景和意义， 接着对深空探测的发展历程和趋势进行
综述，最后对本文主要内容和文章结构做出安排。
第二章将对深空组合导航的基本理论进行介绍， 为展开深空组合导航的分析打下
基础。 （1）对卫星等航天器进行分析和研究，很重要的一点就是确定坐标基准和时间
基准，因而介绍了北斗卫星导航和天文导航所遵循的坐标基准和时间基准； （2）本文
中将使用北斗卫星导航和天文导航中的星光角距导航方式实现对目标卫星的组合导
航，为此介绍了北斗卫星和星光角距导航定位的原理； （3）数学模型是组合导航系统
结构和仿真分析的基础，为此介绍了卫星轨道动力学模型、北斗卫星和星光角距导航
定位的量测方程。
第三章将讨论扩展卡尔曼滤波算法和联邦滤波算法。 本文主要是对卫星轨迹进行
滤波仿真，其中选择扩展卡尔曼滤波算法（EKF）对卫星轨迹进行非线性滤波，为此
将讨论 EKF 滤波原理及步骤；紧接着介绍联邦滤波理论及联邦滤波结构，使之对北斗
卫星导航信息和星光角距导航信息进行信息融合，以实现组合导航。
第四章对组合导航系统进行结构和仿真分析。 首先运用STK 软件建立北斗星座对象和用户卫星，并在他们之间建立链路；接着对北斗卫星导航系统导航得到的用户卫
星轨迹进行滤波仿真及分析； 再对星光角距导航方法得到的卫星轨迹进行滤波仿真及
分析；最后使用联邦滤波算法将两种导航方式的信息进行融合，实现对用户卫星的组
合导航，并对组合导航的特点进行分析。
2 深空组合导航的基本理论
2.1 坐标基准和时间基准
探讨卫星等航天器在太空中的运行状况，首先需要确定坐标基准和时间基准。 北
斗卫星导航系统实现测距定位功能的基础是准确的时间测量， 而包含在用户接收到的
北斗广播星历中的北斗卫星位置信息，是在各个星座的坐标基准下得到的。
2.1.1 坐标基准
截止目前世界上已经拥有四大在建或已建成的全球卫星导航系统， 它们采用不同
的坐标基准。其中GLONASS 系统采用的是 1990 地球参数 (PZ-90,Parametry Zemli
1990)坐标基准；GPS 星历是以 1984 世界测地坐标系[5]
(WGS-84, World Geodetic
System 1984)作为参考的；Galileo 系统采用 1996 国际地球参考框架(ITRF-96,
International Terrestrial Reference Frame 1996)
[6]
作为坐标基准；北斗卫星导
航系统采用的是 2000 中国大地坐标系(CGCS2000, China Geodetic Coordinate
System 2000)。
不过，不管是哪种坐标系，都是以地球（包括陆地、海洋和大气）或者其他天体
的质心为坐标原点，若在组合导航过程中用到了不同的坐标系，可以通过对坐标进行
尺度、平移及旋转的变换，将一个坐标系变换到另一个坐标系中去。
2.1.2 时间基准
四大全球卫星导航系统的时间基准也是各不相同的，其中 GPS 的时间系统
(GPST) 属于原子时系统，GPST 的原点与国际原子时(TAI)有 19s 的常量差异；
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