《航天器相對運動軌跡規(guī)劃與控制》是關于航天器相對運動軌跡規(guī)劃與控制的一本專著。全書共8章,主要內(nèi)容包括航天器相對運動理論基礎、自然周期相對運動軌跡設計、近距離相對運動軌跡規(guī)劃、近距離相對運動控制策略、近距離觀測任務軌跡設計與控制、空間機器人抓捕任務逼近軌跡設計與控制、飛行任務仿真平臺設計與開發(fā)等!逗教炱飨鄬\動軌跡規(guī)劃與控制》視角新穎、內(nèi)容詳實,全面系統(tǒng)地闡述了航天器相對運動軌跡規(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,具有較強的前沿性和實用性。
《航天器相對運動軌跡規(guī)劃與控制》可供從事航天系統(tǒng)分析與任務設計的研究人員和工程技術人員參考,也可作為高等院校飛行器設計、自動控制等相關專業(yè)高年級本科生及研究生的參考教材。
從20世紀50年代末至今,航天器技術經(jīng)歷了應用衛(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)星設計、運行控制、地面應用、交會對接、衛(wèi)星組網(wǎng)等關鍵技術,為人類航天活動的大規(guī)模發(fā)展與應用奠定了堅實基礎。今后,為了滿足日益增加的空間應用需求,進一步提高空間系統(tǒng)效益,以在軌組裝、加注、維修、營救等為標志的在軌服務技術與空間基礎設施建設將成為航天器技術發(fā)展的重要方向,從而在理論與工程上對航天器動力學與控制研究提出了新的問題與挑戰(zhàn)。
航天器經(jīng)典軌道運動主要研究航天器繞地球的運動軌跡與規(guī)律,而航天器相對運動則主要研究以目標航天器為參考系的軌道、機動與控制等問題。就動力學與控制研究而言,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運動研究中占據(jù)重要地位。航天器相對運動軌跡規(guī)劃與控制研究涉及軌道力學、控制科學和最優(yōu)化理論等多門學科,具有相當?shù)睦碚撋疃群图夹g前沿性。本書以航天器近距離觀測和在軌操作這兩類新型相對運動為背景,對任務軌跡設計、規(guī)劃與控制問題進行了深入的理論研究與仿真分析,主要研究內(nèi)容包括相對運動軌跡設計方法、軌跡規(guī)劃模型與算法、相對運動控制策略、航天器近距離觀測任務軌跡設計、空間機器人抓捕任務軌跡設計、規(guī)劃仿真軟件開發(fā)等。
第1章 緒論
1.1 航天器相對運動
1.1.1 航天器相對運動概念
1.1.2 典型相對運動類型
1.2 航天器相對運動應用發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 空間交會對接與在軌服務
1.2.2 航天器編隊飛行
1.2.3 天基空間目標監(jiān)視
1.3 相對運動軌跡規(guī)劃與控制研究綜述
1.3.1 相對運動建模
1.3.2 相對運動軌跡規(guī)劃
1.3.3 相對運動控制
1.3.4 飛行任務規(guī)劃與仿真
1.4 本書組織結構與主要內(nèi)容
第2章 航天器相對運動理論基礎
2.1 概述
2.1.1 坐標系
2.1.2 約定與假設
2.2 代數(shù)法相對運動模型
2.2.1 T-H方程
2.2.2 C-W方程
2.3 幾何法相對運動模型
2.3.1 相對運動學方程
2.3.2 相對軌道根數(shù)與相對坐標的轉換
2.4 模型誤差分析與精度對比仿真
2.4.1 線性化誤差
2.4.2 小偏心率誤差
2.4.3 攝動誤差
2.4.4 模型誤差
2.4.5 模型適用度準則
2.5 姿態(tài)運動
2.5.1 姿態(tài)描述
2.5.2 姿態(tài)運動學方程
2.5.3 姿態(tài)動力學方程
2.6 小結
第3章 航天器自然周期相對運動軌跡設計
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 典型周期軌跡設計
3.3.3 幾何法與代數(shù)法設計參數(shù)的關系
3.4 J2項不變周期相對軌跡設計
3.4.1 平根數(shù)與瞬根數(shù)
3.4.2 平根數(shù)空間下的相對運動方程
3.4.3 相對軌跡設計
3.4.4 仿真算例
3.5 小結
第4章 航天器近距離相對運動軌跡規(guī)劃
4.1 概述
4.2 基于脈沖推力的相對運動軌跡規(guī)劃
4.2.1 二脈沖機動模型
4.2.2 基于導航點的多脈沖軌跡規(guī)劃
4.2.3 基于隨機優(yōu)化的多脈沖軌跡規(guī)劃
4.3 基于繼電型推力的相對運動軌跡規(guī)劃
4.3.1 離散化動力學模型
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)常值小推力的相對運動軌跡規(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
第5章 航天器近距離相對運動控制策略
5.1 概述
5.2 控制問題框架
5.2.1 問題描述
5.2.2 控制策略
5.3 滑模變結構控制
5.3.1 基本原理
5.3.2 控制器設計
5.3.3 仿真算例
5.4 魯棒約束模型預測控制
5.4.1 基本原理
5.4.2 控制器設計
5.4.3 仿真算例
5.5 小結
第6章 航天器近距離觀測任務軌跡設計與控制
6.1 概述
6.2 基本相對運動類型
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 繞飛觀測任務軌跡
6.3.1 自然橢圓繞飛觀測
6.3.2 自然螺旋繞飛觀測
6.3.3 單脈沖受限“水滴”形繞飛觀測
6.3.4 多脈沖受限圓形繞飛觀測
6.3.5 多脈沖受限“田徑場”形繞飛觀測
6.4 局部觀測任務軌跡
6.4.1 單脈沖受限R-bar方位觀測
6.4.2 自然橢圓V-bar方位觀測
6.4.3 多脈沖受限任意方位觀測
6.5 觀測任務期望姿態(tài)計算
6.5.1 觀測模式
6.5.2 充電模式
6.6 觀測任務的6-DOF耦合推力控制
6.6.1 6-DOF相對動力學模型
6.6.2 期望狀態(tài)
……
第7章 空間機器人抓捕任務逼近軌跡設計與控制
第8章 空間機器人飛行任務仿真平臺設計與開發(fā)
參考文獻
(4)編隊飛行衛(wèi)星系統(tǒng)具有很強的靈活性。系統(tǒng)功能分散到各成員衛(wèi)星中,編隊構形大小與數(shù)目都可以根據(jù)任務要求而進行變化,系統(tǒng)也可根據(jù)要求靈活變換隊形,完成新的使命任務。當出現(xiàn)一項新技術時,可以隨時將帶有新的技術或元器件的成員衛(wèi)星補充編隊中去,完成系統(tǒng)升級,實現(xiàn)航天器編隊組網(wǎng)的多目的性和多任務性。
(5)編隊飛行衛(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,分散的結構增強了系統(tǒng)的抗毀傷能力,并且在個別衛(wèi)星失效時,還可以通過系統(tǒng)內(nèi)的任務重新分配或構形重構來降級使用,以提高系統(tǒng)的生存能力。
總之,航天器編隊飛行在對地觀察、無源導航、電子偵察、空間物理場測量、深空探測等方面都具有廣泛的應用前景,代表了航天器相對運動研究與應用的一個重要發(fā)展方向。
1.2.2.2 編隊飛行發(fā)展現(xiàn)狀
航天器編隊飛行理論與工程應用研究興起于20世紀90年代末期,被認為是21世紀空間技術與應用發(fā)展的一個重點前沿領域,世界主要航天大國先后啟動了多項編隊飛行研究計劃,積極推動編隊飛行技術的發(fā)展。