航天器相對運動軌道動力學(xué)與控制

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(xué)
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(gòu)形設(shè)計
1.3 航天器相對運動控制技術(shù)
1.3.1 航天器空間交會任務(wù)中的控制技術(shù)
1.3.2 航天器編隊飛行任務(wù)中的控制技術(shù)
1.4 本書結(jié)構(gòu)
第2章 近圓軌道相對運動動力學(xué)與編隊構(gòu)形設(shè)計
2.1 CW方程及其修正形式
2.1.1 坐標(biāo)系及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系
2.1.2 相對運動動力學(xué)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(xué)模型
2.1.2.3 線性化的動力學(xué)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 CW方程的修正形式
2.2 相對運動的運動學(xué)表達(dá)與構(gòu)形設(shè)計
2.2.1 相對運動學(xué)方程的建立
2.2.1.1 前提條件設(shè)定
2.2.1.2 相對運動運動學(xué)方程的一階近似
2.2.2 相對運動的運動學(xué)表達(dá)方式之一
2.2.3 相對運動的運動學(xué)表達(dá)方式之二
2.2.4 半長軸不同的伴飛構(gòu)形表達(dá)
2.2.5 相對運動編隊構(gòu)形設(shè)計
2.3 J2攝動編隊構(gòu)形的長期演化
2.3.1 J2攝動作用下編隊構(gòu)形表達(dá)
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(nèi)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(gòu)形表達(dá)
2.3.2 J2攝動作用下編隊構(gòu)形仿真
2.3.3 編隊構(gòu)形長期演化的幾點結(jié)論
第3章 橢圓軌道相對運動動力學(xué)與編隊構(gòu)形設(shè)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(xué)的相對運動模型
3.1.2.2 基于動力學(xué)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(jīng)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(gòu)形設(shè)計
3.3.1 單從航天器編隊構(gòu)形
3.3.2 雙從航天器編隊構(gòu)形
3.3.3 多從航天器編隊構(gòu)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(xué)的精確模型
3.4.1.3 基于運動學(xué)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(gòu)形的受攝特性
3.4.2.2 一般構(gòu)形的受攝特性
3.4.3 基于運動學(xué)的穩(wěn)定編隊設(shè)計方案
3.4.3.1 穩(wěn)定編隊設(shè)計方案一
3.4.3.2 穩(wěn)定編隊設(shè)計方案二
3.4.3.3 穩(wěn)定編隊設(shè)計算例
3.4.4 基于動力學(xué)的穩(wěn)定編隊設(shè)計方案
3.4.4.1 穩(wěn)定編隊設(shè)計方案一
3.4.4.2 穩(wěn)定編隊設(shè)計方案二
第4章 基于動力學(xué)的相對運動軌道控制方法
4.1 多沖量最優(yōu)機(jī)動問題及求解方法
4.1.1 優(yōu)化問題的指標(biāo)函數(shù)
4.1.2 多沖量狀態(tài)轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)廣義逆方法
4.1.3.2 沖量遞減策略下的加權(quán)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(shù)學(xué)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(jī)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(jī)動點位置參數(shù)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(dǎo)的?？奎c逼近制導(dǎo)方法
4.2.3.1 利用視線制導(dǎo)實現(xiàn)停靠點逼近存在的問題及解決方法
4.2.3.2 縱向制導(dǎo)方法
4.2.3.3 法向制導(dǎo)方法
4.2.3.4 基于視線制導(dǎo)的?？奎c逼近仿真
4.3 相對運動中的多沖量滑移制導(dǎo)方法
4.3.1 約束軌道下的多沖量軌道機(jī)動
4.3.2 多沖量滑移軌道設(shè)計
4.3.2.1 滑移軌道概念
4.3.2.2 指數(shù)滑移軌道
4.3.2.3 微分方程快速滑移軌道設(shè)計
4.3.2.4 微分方程慢速滑移軌道設(shè)計
4.3.2.5 多項式滑移軌道的設(shè)計
4.3.3 滑移算法在相對運動軌道控制中的應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)動速度增量的計算
4.3.5.4 仿真算例
4.3.6 滑移制導(dǎo)算法在撤離段應(yīng)用探討
4.4 滑模變結(jié)構(gòu)理論在相對運動軌道控制中的應(yīng)用
4.4.1 滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及滑模面的選擇
4.4.1.1 滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
4.4.1.2 確定滑模面參數(shù)的二次型指標(biāo)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(shù)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?br />4.4.3.1 常值切換函數(shù)
4.4.3.2 指數(shù)趨近率滑模控制
4.4.3.3 同時啟動遞階變結(jié)構(gòu)控制
4.4.4 不同策略下逼近段軌道控制的變結(jié)構(gòu)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(xué)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(dǎo)航誤差時繞飛與逼近段操作仿真
第5章 基于運動學(xué)的相對運動軌道控制方法
5.1 編隊構(gòu)形的沖量捕獲策略
5.1.1 相對運動與沖量的關(guān)系
5.1.1.1 沖量作用與軌道根數(shù)的關(guān)系
5.1.1.2 軌道根數(shù)與相對運動的關(guān)系
5.1.1.3 沖量作用與相對運動的關(guān)系
5.1.2 簡單多沖量與構(gòu)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(gòu)形重構(gòu)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(gòu)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?cè)己呐c始末構(gòu)形參數(shù)的關(guān)系
5.2.3 基于簡單四沖量的構(gòu)形重構(gòu)仿真
5.2.3.1 初始條件
5.2.3.2 仿真結(jié)果
5.2.3.3 誤差分析
5.2.3.4 仿真結(jié)論
5.3 基于多沖量的構(gòu)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(gòu)形確定方法
5.3.3 構(gòu)形保持控制仿真
5.3.3.1 仿真條件
5.3.3.2 仿真結(jié)果
5.3.3.3 仿真結(jié)論
5.4 不同發(fā)動機(jī)推力模型的構(gòu)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(zhuǎn)移矩陣
5.4.3 基于不同推力模型的構(gòu)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(zhuǎn)換
第6章 相對控制方法在非合作目標(biāo)交會中的應(yīng)用
6.1 空間交會任務(wù)實現(xiàn)過程
6.2 非合作目標(biāo)空間交會過程示例
6.3 非合作目標(biāo)空間交會不同階段特征及切換條件
6.3.1 遠(yuǎn)近程交班的切換條件
6.3.2 遠(yuǎn)近程交班過程描述
6.3.3 不同交班點條件下的制導(dǎo)策略
6.3.4 ?？奎c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(biāo)近程交會仿真
6.4.1 遠(yuǎn)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(yīng)用
7.1 InSAR系統(tǒng)中航天器編隊優(yōu)化設(shè)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(shù)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(wù)
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(shè)計
7.1.3.1 優(yōu)化設(shè)計方案
7.1.3.2 優(yōu)化設(shè)計實例——三星對稱構(gòu)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(gòu)形與姿態(tài)協(xié)同問題的提出
7.2.1.2 構(gòu)形與姿態(tài)協(xié)同控制實現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)
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(gòu)形與姿態(tài)協(xié)同控制
7.2.3 構(gòu)形與姿態(tài)協(xié)同控制仿真
7.2.3.1 仿真條件設(shè)置
7.2.3.2 構(gòu)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(yīng)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(yīng)用模式
8.1.3 橢圓軌道編隊飛行試驗計劃
8.2 MMS任務(wù)編隊設(shè)計要求與指標(biāo)
8.2.1 任務(wù)設(shè)計要求
8.2.2 設(shè)計性能指標(biāo)
8.2.2.1 質(zhì)量因子
8.2.2.2 平均邊長
8.2.2.3 相關(guān)計算
8.3 MMS任務(wù)編隊構(gòu)形設(shè)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(shè)計方案
8.4 考慮J2項的MMS穩(wěn)定編隊設(shè)計
8.4.1 編隊性能分析
8.4.2 穩(wěn)定編隊設(shè)計方案
參考文獻(xiàn)