《航天器相對運動軌道動力學與控制》是關于航天器相對運動軌道動力學與控制理論的一本專著。全書主要分為三部分，分別是航天器相對運動軌道動力學建模理論、航天器相對運動軌道控制方法以及航天任務中的相對運動問題，圍繞動力學、控制和應用三個層面進行相對運動的分析與討論。
《航天器相對運動軌道動力學與控制》可供從事航天器研究、設計、試驗和應用的科技人員閱讀，也可作為高等院校有關專業(yè)的教學參考書。
1957年，第一顆人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射開啟了人類航天技術發(fā)展的新紀元。半個多世紀以來，人類不斷對宇宙空間進行開拓，創(chuàng)造了一個又一個奇跡，所有這一切都離不開航天器軌道動力學與控制理論的發(fā)展和進步。進入新世紀，航天技術呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢，以航天器交會對接技術、航天器編隊飛行技術為代表的涉及兩個以上航天器相對運動的控制技術成為世界性熱點研究領域，促使著航天器相對運動軌道動力學與控制理論的不斷完善和成熟。
本書的主要內容來自三位作者的博士學位論文，即劉魯華的“航天器自主交會制導與控制方法研究”［1］、孟云鶴的“近地軌道航天器編隊飛行控制與應用研究”［2］和安雪瀅的“橢圓軌道航天器編隊飛行動力學及應用研究”［3］。由于三篇論文都涉及應用前景廣泛的航天器相對運動動力學、控制與應用問題，因此作者很早就萌生了合作成書的想法，希望能對相對運動問題進行一定總結，以期拋磚引玉。
本書主要內容可分為三部分，分別是“航天器相對運動軌道動力學問題”、“航天器相對運動軌道控制方法”以及“航天任務中的相對運動問題”。第一部分“航天器相對運動軌道動力學”問題是開展控制方法與應用研究的基礎，包括兩章研究內容，主要是第2章近圓軌道相對運動動力學與編隊構形設計和第3章橢圓軌道相對運動動力學與編隊構形設計，兩者從相對運動的動力學與運動學角度出發(fā)分別研究了近圓軌道與橢圓軌道的相對運動特征、表達與構形設計問題。與第一部分相對應，第二部分“航天器相對運動軌道控制”主要從“動力學”（第4章）與“運動學”（第5章）角度分別介紹作者在控制問題中的研究成果�；趧恿W的相對運動軌道控制方法的特點在于周期短、精度高、計算量大、燃耗較多，適合于交會對接等短期任務需求；而基于運動學的相對運動軌道控制方法的特點在于周期長、計算量小、燃耗低、方法簡便，適合于伴飛與編隊等長期任務需求。兩者各有特點，恰恰適應于不同的應用背景。第三部分“航天任務中的相對運動問題”包括三章內容，即第6章相對控制方法在非合作目標交會中的應用、第7章近地軌道編隊在InSAR系統(tǒng)中的應用以及第8章橢圓軌道編隊在日地空間探測中的應用。
本書第1章與第2章由三位作者合作撰寫，第4章與第6章的撰寫工作由劉魯華負責，第5章與第7章由孟云鶴負責，第3章與第8章由安雪瀅負責，最后由劉魯華負責全書的統(tǒng)稿及審定工作。本書在撰寫過程中，得到了多方面的支持，作者衷心感謝國防科技大學航天與材料工程學院飛行器控制教研室領導與同事們的關心。感謝余夢倫院士、孫承啟研究員、周軍教授、李俊峰教授對本書的建議及對出版的大力推薦。感謝國內外同行專家的研究成果。最后特別感謝國防科學技術大學學術著作出版資助專項經費的資助。
限于作者水平，書中難免有不當之處，懇請讀者批評指正。
作者
2012年2月
第1章 緒論
1.1 航天器相對運動問題
1.1.1 航天器空間交會
1.1.1.1 航天器空間交會的概念
1.1.1.2 空間自主交會的特點
1.1.1.3 空間交會中的相對運動
1.1.2 航天器編隊飛行
1.1.2.1 航天器編隊飛行的概念
1.1.2.2 航天器編隊飛行的特點
1.1.2.3 編隊飛行中的相對運動
1.2 航天器相對運動動力學
1.2.1 無攝相對運動模型
1.2.2 受攝相對運動模型
1.2.3 編隊飛行構形設計
1.3 航天器相對運動控制技術
1.3.1 航天器空間交會任務中的控制技術
1.3.2 航天器編隊飛行任務中的控制技術
1.4 本書結構
第2章 近圓軌道相對運動動力學與編隊構形設計
2.1 CW方程及其修正形式
2.1.1 坐標系及相互轉換關系
2.1.2 相對運動動力學方程及其解析解
2.1.2.1 基本前提
2.1.2.2 精確的動力學模型
2.1.2.3 線性化的動力學模型
2.1.2.4 相對運動的解析解
2.1.2.5 狀態(tài)空間表示
2.1.3 CW方程的修正形式
2.2 相對運動的運動學表達與構形設計
2.2.1 相對運動學方程的建立
2.2.1.1 前提條件設定
2.2.1.2 相對運動運動學方程的一階近似
2.2.2 相對運動的運動學表達方式之一
2.2.3 相對運動的運動學表達方式之二
2.2.4 半長軸不同的伴飛構形表達
2.2.5 相對運動編隊構形設計
2.3 J2攝動編隊構形的長期演化
2.3.1 J2攝動作用下編隊構形表達
2.3.1.1 無奇點變量的攝動
2.3.1.2 攝動作用下參考軌道面內的相對運動
2.3.1.3 攝動作用下參考軌道法向相對運動
2.3.1.4 構形表達
2.3.2 J2攝動作用下編隊構形仿真
2.3.3 編隊構形長期演化的幾點結論
第3章 橢圓軌道相對運動動力學與編隊構形設計
3.1 相對運動模型
3.1.1 精確相對運動模型
3.1.1.1 單位球模型
3.1.1.2 模型適用性
3.1.2 一階相對運動模型
3.1.2.1 基于運動學的相對運動模型
3.1.2.2 基于動力學的相對運動模型
3.2 相對軌跡特性分析
3.2.1 基本相對軌跡
3.2.1.1 僅相對偏心率不為零時的相對軌跡
3.2.1.2 僅相對軌道傾角不為零時的相對軌跡
3.2.1.3 僅相對升交點赤經不為零時的相對軌跡
3.2.1.4 僅相對近地點緯度幅角不為零時的相對軌跡
3.2.1.5 僅相對平近點角不為零時的相對軌跡
3.2.2 相對軌跡特性
3.3 典型編隊構形設計
3.3.1 單從航天器編隊構形
3.3.2 雙從航天器編隊構形
3.3.3 多從航天器編隊構形
3.4 相對運動穩(wěn)定性分析
3.4.1 受攝相對運動模型
3.4.1.1 攝動加速度
3.4.1.2 基于動力學的精確模型
3.4.1.3 基于運動學的近似模型
3.4.1.4 兩種模型精度比較
3.4.2 受攝相對運動特性
3.4.2.1 基本構形的受攝特性
3.4.2.2 一般構形的受攝特性
3.4.3 基于運動學的穩(wěn)定編隊設計方案
3.4.3.1 穩(wěn)定編隊設計方案一
3.4.3.2 穩(wěn)定編隊設計方案二
3.4.3.3 穩(wěn)定編隊設計算例
3.4.4 基于動力學的穩(wěn)定編隊設計方案
3.4.4.1 穩(wěn)定編隊設計方案一
3.4.4.2 穩(wěn)定編隊設計方案二
第4章 基于動力學的相對運動軌道控制方法
4.1 多沖量最優(yōu)機動問題及求解方法
4.1.1 優(yōu)化問題的指標函數
4.1.2 多沖量狀態(tài)轉移方程
4.1.3 時間固定多沖量最優(yōu)軌道控制求解方法
4.1.3.1 無約束標準廣義逆方法
4.1.3.2 沖量遞減策略下的加權廣義逆方法
4.1.3.3 沖量模值受限的二次規(guī)劃最優(yōu)方法
4.1.4 時間不固定多沖量最優(yōu)軌道控制求解方法
4.1.4.1 多沖量優(yōu)化問題的自由度
4.1.4.2 非線性最優(yōu)化問題的表示和求解
4.1.5 基于廣義逆和數學規(guī)劃方法的軌道控制仿真
4.2 具有視線約束的相對運動軌道控制
4.2.1 最大視線角計算方法
4.2.2 基于參考視線的多次機動快速計算算法
4.2.2.1 滿足視線約束的幾種策略
4.2.2.2 機動點位置參數的選取
4.2.2.3 基于參考視線的接近操作快速算法
4.2.3 基于視線制導的�？奎c逼近制導方法
4.2.3.1 利用視線制導實現(xiàn)�？奎c逼近存在的問題及解決方法
4.2.3.2 縱向制導方法
4.2.3.3 法向制導方法
4.2.3.4 基于視線制導的�？奎c逼近仿真
4.3 相對運動中的多沖量滑移制導方法
4.3.1 約束軌道下的多沖量軌道機動
4.3.2 多沖量滑移軌道設計
4.3.2.1 滑移軌道概念
4.3.2.2 指數滑移軌道
4.3.2.3 微分方程快速滑移軌道設計
4.3.2.4 微分方程慢速滑移軌道設計
4.3.2.5 多項式滑移軌道的設計
4.3.3 滑移算法在相對運動軌道控制中的應用分析
4.3.3.1 接近操作
4.3.3.2 撤離操作
4.3.4 近程接近與撤離滑移制導的仿真
4.3.4.1 接近段仿真
4.3.4.2 撤離段仿真
4.3.5 考慮多約束條件下的滑移制導方法
4.3.5.1 不同形式的約束軌道
4.3.5.2 不同形式的微分方程
4.3.5.3 多次機動速度增量的計算
4.3.5.4 仿真算例
4.3.6 滑移制導算法在撤離段應用探討
4.4 滑模變結構理論在相對運動軌道控制中的應用
4.4.1 滑模變結構系統(tǒng)及滑模面的選擇
4.4.1.1 滑模變結構系統(tǒng)
4.4.1.2 確定滑模面參數的二次型指標最優(yōu)化方法
4.4.2 抖振現(xiàn)象與抖振的削弱
4.4.2.1 切換函數的近似連續(xù)化
4.4.2.2 趨近率控制
4.4.3 線性多變量系統(tǒng)滑�？刂撇呗�
4.4.3.1 常值切換函數
4.4.3.2 指數趨近率滑模控制
4.4.3.3 同時啟動遞階變結構控制
4.4.4 不同策略下逼近段軌道控制的變結構方法仿真
4.5 基于遺傳－模糊控制方法的繞飛與逼近軌道控制
4.5.1 繞飛與逼近操作過程
4.5.2 繞飛與逼近段動力學模型
4.5.3 模糊控制原理、控制表的建立及優(yōu)化的方法
4.5.3.1 模糊控制原理
4.5.3.2 模糊控制表的建立
4.5.3.3 利用遺傳算法優(yōu)化模糊控制表
4.5.4 考慮導航誤差時繞飛與逼近段操作仿真
第5章 基于運動學的相對運動軌道控制方法
5.1 編隊構形的沖量捕獲策略
5.1.1 相對運動與沖量的關系
5.1.1.1 沖量作用與軌道根數的關系
5.1.1.2 軌道根數與相對運動的關系
5.1.1.3 沖量作用與相對運動的關系
5.1.2 簡單多沖量與構形生成
5.1.2.1 徑向沖量作用
5.1.2.2 沿跡向沖量作用
5.1.2.3 軌道面法向沖量作用
5.1.3 編隊捕獲策略與仿真
5.1.3.1 編隊捕獲策略
5.1.3.2 編隊捕獲仿真
5.1.3.3 燃料估算
5.2 構形重構的沖量控制策略
5.2.1 推力模式的能控性分析
5.2.2 相對運動構形的多沖量控制
5.2.2.1 三次沿跡向控制沖量的求解
5.2.2.2 軌道面法向控制沖量的求解
5.2.2.3 沖量求解的討論
5.2.2.4 總燃耗與始末構形參數的關系
5.2.3 基于簡單四沖量的構形重構仿真
5.2.3.1 初始條件
5.2.3.2 仿真結果
5.2.3.3 誤差分析
5.2.3.4 仿真結論
5.3 基于多沖量的構形保持控制方法
5.3.1 長期伴飛保持控制思路
5.3.2 基于相對運動測量的構形確定方法
5.3.3 構形保持控制仿真
5.3.3.1 仿真條件
5.3.3.2 仿真結果
5.3.3.3 仿真結論
5.4 不同發(fā)動機推力模型的構形控制效果分析
5.4.1 三種推力模型
5.4.2 相對運動狀態(tài)轉移矩陣
5.4.3 基于不同推力模型的構形控制效果
5.4.3.1 脈沖推力作用效果分析
5.4.3.2 繼電型推力作用效果分析
5.4.3.3 連續(xù)推力作用效果分析
5.4.4 連續(xù)變化小推力模型的工程方法
5.4.4.1 控制作用效果的比較
5.4.4.2 連續(xù)變推力到繼電型推力模型的轉換
第6章 相對控制方法在非合作目標交會中的應用
6.1 空間交會任務實現(xiàn)過程
6.2 非合作目標空間交會過程示例
6.3 非合作目標空間交會不同階段特征及切換條件
6.3.1 遠近程交班的切換條件
6.3.2 遠近程交班過程描述
6.3.3 不同交班點條件下的制導策略
6.3.4 停靠點初始條件的選擇
6.3.5 近程接近段的約束條件
6.4 非合作目標近程交會仿真
6.4.1 遠近程交班段仿真
6.4.2 近程接近段仿真
6.4.3 撤離段仿真
第7章 近地軌道編隊在InSAR系統(tǒng)中的應用
7.1 InSAR系統(tǒng)中航天器編隊優(yōu)化設計
7.1.1 主星帶伴隨編隊模式InSAR系統(tǒng)概念的提出
7.1.1.1 InSAR測量技術發(fā)展概況
7.1.1.2 主星帶伴隨編隊模式InSAR系統(tǒng)簡介
7.1.1.3 DEMs測量任務
7.1.2 面向DEMs測量的主星帶伴隨編隊InSAR系統(tǒng)約束分析
7.1.2.1 測高精度約束
7.1.2.2 覆蓋約束
7.1.3 主星帶伴隨編隊InSAR系統(tǒng)優(yōu)化設計
7.1.3.1 優(yōu)化設計方案
7.1.3.2 優(yōu)化設計實例——三星對稱構形的伴隨編隊
7.2 InSAR系統(tǒng)中航天器編隊協(xié)同控制
7.2.1 問題的提出與解決思路
7.2.1.1 構形與姿態(tài)協(xié)同問題的提出
7.2.1.2 構形與姿態(tài)協(xié)同控制實現(xiàn)的邏輯結構
7.2.2 協(xié)同規(guī)劃與控制
7.2.2.1 航天器編隊協(xié)同規(guī)劃
7.2.2.2 編隊航天器構形與姿態(tài)協(xié)同控制
7.2.3 構形與姿態(tài)協(xié)同控制仿真
7.2.3.1 仿真條件設置
7.2.3.2 構形保持控制
7.2.3.3 姿態(tài)規(guī)劃
7.2.3.4 姿態(tài)控制
第8章 橢圓軌道編隊在日地空間探測中的應用
8.1 日地空間探測中的典型項目介紹
8.1.1 橢圓軌道編隊飛行優(yōu)勢
8.1.2 橢圓軌道編隊飛行應用模式
8.1.3 橢圓軌道編隊飛行試驗計劃
8.2 MMS任務編隊設計要求與指標
8.2.1 任務設計要求
8.2.2 設計性能指標
8.2.2.1 質量因子
8.2.2.2 平均邊長
8.2.2.3 相關計算
8.3 MMS任務編隊構形設計
8.3.1 初始條件確定
8.3.2 編隊性能分析
8.3.3 編隊設計方案
8.4 考慮J2項的MMS穩(wěn)定編隊設計
8.4.1 編隊性能分析
8.4.2 穩(wěn)定編隊設計方案
參考文獻
書單推薦
