航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與控制

前言

從20世紀(jì)50年代末至今，航天器技術(shù)經(jīng)歷了應(yīng)用衛(wèi)星、載人航天和多星系統(tǒng)等不同發(fā)展階段，解決了衛(wèi)星設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制、地面應(yīng)用、交會(huì)對(duì)接、衛(wèi)星組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，為人類(lèi)航天活動(dòng)的大規(guī)模發(fā)展與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。今后，為了滿足日益增加的空間應(yīng)用需求，進(jìn)一步提高空間系統(tǒng)效益，以在軌組裝、加注、維修、營(yíng)救等為標(biāo)志的在軌服務(wù)技術(shù)與空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將成為航天器技術(shù)發(fā)展的重要方向，從而在理論與工程上對(duì)航天器動(dòng)力學(xué)與控制研究提出了新的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。航天器經(jīng)典軌道運(yùn)動(dòng)主要研究航天器繞地球的運(yùn)動(dòng)軌跡與規(guī)律，而航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)則主要研究以目標(biāo)航天器為參考系的軌道、機(jī)動(dòng)與控制等問(wèn)題。就動(dòng)力學(xué)與控制研究而言，后者影響因素更多、狀態(tài)變化更大、優(yōu)化要求更高，因而軌跡規(guī)劃與控制在航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)研究中占據(jù)重要地位。航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與控制研究涉及軌道力學(xué)、控制科學(xué)和最優(yōu)化理論等多門(mén)學(xué)科，具有相當(dāng)?shù)睦碚撋疃群图夹g(shù)前沿性。本書(shū)以航天器近距離觀測(cè)和在軌操作這兩類(lèi)新型相對(duì)運(yùn)動(dòng)為背景，對(duì)任務(wù)軌跡設(shè)計(jì)、規(guī)劃與控制問(wèn)題進(jìn)行了深入的理論研究與仿真分析，主要研究?jī)?nèi)容包括相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)方法、軌跡規(guī)劃模型與算法、相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制策略、航天器近距離觀測(cè)任務(wù)軌跡設(shè)計(jì)、空間機(jī)器人抓捕任務(wù)軌跡設(shè)計(jì)、規(guī)劃仿真軟件開(kāi)發(fā)等。

內(nèi)容概要

本書(shū)是關(guān)于航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與控制的一本專(zhuān)著。全書(shū)共8章，主要內(nèi)容包括航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)、自然周期相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)、近距離相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、近距離相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制策略、近距離觀測(cè)任務(wù)軌跡設(shè)計(jì)與控制、空間機(jī)器人抓捕任務(wù)逼近軌跡設(shè)計(jì)與控制、飛行任務(wù)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等。本書(shū)視角新穎、內(nèi)容詳實(shí)，全面系統(tǒng)地闡述了航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與控制的理論方法、分析模型、求解算法和仿真軟件等內(nèi)容，具有較強(qiáng)的前沿性和實(shí)用性。    本書(shū)可供從事航天系統(tǒng)分析與任務(wù)設(shè)計(jì)的研究人員和工程技術(shù)人員參考，也可作為高等院校飛行器設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制等相關(guān)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生及研究生的參考教材。

書(shū)籍目錄

第1章　緒論　1.1　航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)　　1.1.1　航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)概念　　1.1.2　典型相對(duì)運(yùn)動(dòng)類(lèi)型　1.2　航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀　　1.2.1　空間交會(huì)對(duì)接與在軌服務(wù)　　1.2.2　航天器編隊(duì)飛行　　1.2.3　天基空間目標(biāo)監(jiān)視　1.3　相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與控制研究綜述　　1.3.1　相對(duì)運(yùn)動(dòng)建?！　?.3.2　相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃　　1.3.3　相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制　　1.3.4　飛行任務(wù)規(guī)劃與仿真　1.4　本書(shū)組織結(jié)構(gòu)與主要內(nèi)容第2章　航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)　2.1　概述　　2.1.1　坐標(biāo)系　　2.1.2　約定與假設(shè)　2.2　代數(shù)法相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型　　2.2.1　T-H方程　　2.2.2　C-W方程　2.3　幾何法相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型　　2.3.1　相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程　　2.3.2　相對(duì)軌道根數(shù)與相對(duì)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換　2.4　模型誤差分析與精度對(duì)比仿真　　2.4.1　線性化誤差　　2.4.2　小偏心率誤差　　2.4.3　攝動(dòng)誤差　　2.4.4　模型誤差　　2.4.5　模型適用度準(zhǔn)則　2.5　姿態(tài)運(yùn)動(dòng)　　2.5.1　姿態(tài)描述　　2.5.2　姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程　　2.5.3　姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程　2.6　小結(jié)第3章　航天器自然周期相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)　3.1　概述　3.2　代數(shù)法　　3.2.1　近圓參考軌道　　3.2.2　橢圓參考軌道　3.3　幾何法　　3.3.1　經(jīng)典軌道根數(shù)差值的影響分析　　3.3.2　典型周期軌跡設(shè)計(jì)　　3.3.3　幾何法與代數(shù)法設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系　3.4　幾項(xiàng)不變周期相對(duì)軌跡設(shè)計(jì)　　3.4.1　平根數(shù)與瞬根數(shù)　　3.4.2　平根數(shù)空間下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程　　3.4.3　相對(duì)軌跡設(shè)計(jì)　　3.4.4　仿真算例　3.5　小結(jié)第4章　航天器近距離相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃　4.1　概述　4.2　基于脈沖推力的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃　　4.2.1　二脈沖機(jī)動(dòng)模型　　4.2.2　基于導(dǎo)航點(diǎn)的多脈沖軌跡規(guī)劃　　4.2.3　基于隨機(jī)優(yōu)化的多脈沖軌跡規(guī)劃　4.3　基于繼電型推力的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃　　4.3.1　離散化動(dòng)力學(xué)模型　　4.3.2　約束表示　　4.3.3　規(guī)劃模型　　4.3.4　仿真算例　4.4　基于連續(xù)常值小推力的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃　　4.4.1　最優(yōu)控制原理　　4.4.2　近圓參考軌道情形　　4.4.3　橢圓參考軌道情形　4.5　小結(jié)第5章　航天器近距離相對(duì)運(yùn)動(dòng)控制策略　5.1　概述　5.2　控制問(wèn)題框架　　5.2.1　問(wèn)題描述　　5.2.2　控制策略　5.3　滑模變結(jié)構(gòu)控制　　5.3.1　基本原理　　5.3.2　控制器設(shè)計(jì)　　5.3.3　仿真算例　5.4　魯棒約束模型預(yù)測(cè)控制　　5.4.1　基本原理　　5.4.2　控制器設(shè)計(jì)　　5.4.3　仿真算例　5.5　小結(jié)第6章　航天器近距離觀測(cè)任務(wù)軌跡設(shè)計(jì)與控制　6.1　概述　6.2　基本相對(duì)運(yùn)動(dòng)類(lèi)型　　6.2.1　橢圓型　　6.2.2　振蕩型　　6.2.3　跳躍型　　6.2.4　飛越型　6.3　繞飛觀測(cè)任務(wù)軌跡　　6.3.1　自然橢圓繞飛觀測(cè)　　6.3.2　自然螺旋繞飛觀測(cè)　　6.3.3　單脈沖受限“水滴”形繞飛觀測(cè)　　6.3.4　多脈沖受限圓形繞飛觀測(cè)　　6.3.5　多脈沖受限“田徑場(chǎng)”形繞飛觀測(cè)　6.4　局部觀測(cè)任務(wù)軌跡　　6.4.1　單脈沖受限R-bar方位觀測(cè)　　6.4.2　自然橢圓V-bar方位觀測(cè)　　6.4.3　多脈沖受限任意方位觀測(cè)I　6.5　觀測(cè)任務(wù)期望姿態(tài)計(jì)算　　6.5.1　觀測(cè)模式　　6.5.2　充電模式　6.6　觀測(cè)任務(wù)的6-DOF耦合推力控制　　6.6.1　6-DOF相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型　　6.6.2　期望狀態(tài)　　6.6.3　控制策略　　6.6.4　仿真算例　6.7　小結(jié)　第7章　空間機(jī)器人抓捕任務(wù)逼近軌跡設(shè)計(jì)與控制　7.1　概述　7.2　三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的抓捕逼近　　7.2.1　直線逼近模型　　7.2.2　相對(duì)靜止保持　　7.2.3　基于組合機(jī)動(dòng)的V-bar逼近　7.3　無(wú)控旋轉(zhuǎn)衛(wèi)星的抓捕逼近　　7.3.1　目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型　　7.3.2　飛越逼近策略　　7.3.3　同步控制逼近策略　7.4　小結(jié)　第8章　空間機(jī)器人飛行任務(wù)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)　8.1　概述　8.2　飛行任務(wù)過(guò)程分析　　8.2.1　接近伴飛任務(wù)　　8.2.2　交會(huì)抓捕任務(wù)　　8.2.3　飛行任務(wù)規(guī)劃　8.3　空間機(jī)器人系統(tǒng)功能行為模型　　8.3.1　功能行為模型概念　　8.3.2　空間機(jī)器人功能行為分析　　8.3.3　空間機(jī)器人功能行為建?！?.4　設(shè)計(jì)模式與體系架構(gòu)　　8.4.1　MVC設(shè)計(jì)模式與實(shí)現(xiàn)　　8.4.2　自主運(yùn)行體系架構(gòu)　8.5　仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)　　8.5.1　功能需求　　8.5.2　體系結(jié)構(gòu)　　8.5.3　關(guān)鍵技術(shù)　　8.5.4　仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)　8.6　小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：（4）編隊(duì)飛行衛(wèi)星系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性。系統(tǒng)功能分散到各成員衛(wèi)星中，編隊(duì)構(gòu)形大小與數(shù)目都可以根據(jù)任務(wù)要求而進(jìn)行變化，系統(tǒng)也可根據(jù)要求靈活變換隊(duì)形，完成新的使命任務(wù)。當(dāng)出現(xiàn)一項(xiàng)新技術(shù)時(shí)，可以隨時(shí)將帶有新的技術(shù)或元器件的成員衛(wèi)星補(bǔ)充編隊(duì)中去，完成系統(tǒng)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)航天器編隊(duì)組網(wǎng)的多目的性和多任務(wù)性。（5）編隊(duì)飛行衛(wèi)星系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)衛(wèi)星更高的生存能力。資源冗余降低了系統(tǒng)的故障概率，分散的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗毀傷能力，并且在個(gè)別衛(wèi)星失效時(shí)，還可以通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)重新分配或構(gòu)形重構(gòu)來(lái)降級(jí)使用，以提高系統(tǒng)的生存能力。總之，航天器編隊(duì)飛行在對(duì)地觀察、無(wú)源導(dǎo)航、電子偵察、空間物理場(chǎng)測(cè)量、深空探測(cè)等方面都具有廣泛的應(yīng)用前景，代表了航天器相對(duì)運(yùn)動(dòng)研究與應(yīng)用的一個(gè)重要發(fā)展方向。1.2.2.2  編隊(duì)飛行發(fā)展現(xiàn)狀航天器編隊(duì)飛行理論與工程應(yīng)用研究興起于20世紀(jì)90年代末期，被認(rèn)為是21世紀(jì)空間技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)前沿領(lǐng)域，世界主要航天大國(guó)先后啟動(dòng)了多項(xiàng)編隊(duì)飛行研究計(jì)劃，積極推動(dòng)編隊(duì)飛行技術(shù)的發(fā)展。

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