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第1章 绪论1

1.1 航天器相对运动问题1

1.1.1 航天器空间交会1

1.1.1.1 航天器空间交会的概念1

1.1.1.2 空间自主交会的特点2

1.1.1.3 空间交会中的相对运动3

1.1.2 航天器编队飞行4

1.1.2.1 航天器编队飞行的概念4

1.1.2.2 航天器编队飞行的特点4

1.1.2.3 编队飞行中的相对运动5

1.2 航天器相对运动动力学6

1.2.1 无摄相对运动模型6

1.2.2 受摄相对运动模型9

1.2.3 编队飞行构形设计10

1.3 航天器相对运动控制技术13

1.3.1 航天器空间交会任务中的控制技术13

1.3.2 航天器编队飞行任务中的控制技术17

1.4 本书结构22

第2章 近圆轨道相对运动动力学与编队构形设计24

2.1 C-W方程及其修正形式24

2.1.1 坐标系及相互转换关系24

2.1.2 相对运动动力学方程及其解析解26

2.1.2.1 基本前提26

2.1.2.2 精确的动力学模型26

2.1.2.3 线性化的动力学模型28

2.1.2.4 相对运动的解析解29

2.1.2.5 状态空间表示30

2.1.3 C-W方程的修正形式32

2.2 相对运动的运动学表达与构形设计34

2.2.1 相对运动学方程的建立34

2.2.1.1 前提条件设定34

2.2.1.2 相对运动运动学方程的一阶近似34

2.2.2 相对运动的运动学表达方式之一36

2.2.3 相对运动的运动学表达方式之二38

2.2.4 半长轴不同的伴飞构形表达40

2.2.5 相对运动编队构形设计40

2.3 J2摄动编队构形的长期演化41

2.3.1 J2摄动作用下编队构形表达41

2.3.1.1 无奇点变量的摄动41

2.3.1.2 摄动作用下参考轨道面内的相对运动42

2.3.1.3 摄动作用下参考轨道法向相对运动43

2.3.1.4 构形表达43

2.3.2 J2摄动作用下编队构形仿真45

2.3.3 编队构形长期演化的几点结论47

第3章 椭圆轨道相对运动动力学与编队构形设计49

3.1 相对运动模型50

3.1.1 精确相对运动模型50

3.1.1.1 单位球模型50

3.1.1.2 模型适用性53

3.1.2 一阶相对运动模型53

3.1.2.1 基于运动学的相对运动模型53

3.1.2.2 基于动力学的相对运动模型60

3.2 相对轨迹特性分析64

3.2.1 基本相对轨迹64

3.2.1.1 仅相对偏心率不为零时的相对轨迹64

3.2.1.2 仅相对轨道倾角不为零时的相对轨迹65

3.2.1.3 仅相对升交点赤经不为零时的相对轨迹66

3.2.1.4 仅相对近地点纬度幅角不为零时的相对轨迹69

3.2.1.5 仅相对平近点角不为零时的相对轨迹69

3.2.2 相对轨迹特性70

3.3 典型编队构形设计74

3.3.1 单从航天器编队构形74

3.3.2 双从航天器编队构形75

3.3.3 多从航天器编队构形79

3.4 相对运动稳定性分析84

3.4.1 受摄相对运动模型84

3.4.1.1 摄动加速度84

3.4.1.2 基于动力学的精确模型85

3.4.1.3 基于运动学的近似模型86

3.4.1.4 两种模型精度比较89

3.4.2 受摄相对运动特性90

3.4.2.1 基本构形的受摄特性90

3.4.2.2 一般构形的受摄特性94

3.4.3 基于运动学的稳定编队设计方案99

3.4.3.1 稳定编队设计方案一99

3.4.3.2 稳定编队设计方案二104

3.4.3.3 稳定编队设计算例107

3.4.4 基于动力学的稳定编队设计方案111

3.4.4.1 稳定编队设计方案一111

3.4.4.2 稳定编队设计方案二113

第4章 基于动力学的相对运动轨道控制方法116

4.1 多冲量最优机动问题及求解方法117

4.1.1 优化问题的指标函数117

4.1.2 多冲量状态转移方程118

4.1.3 时间固定多冲量最优轨道控制求解方法119

4.1.3.1 无约束标准广义逆方法119

4.1.3.2 冲量递减策略下的加权广义逆方法120

4.1.3.3 冲量模值受限的二次规划最优方法120

4.1.4 时间不固定多冲量最优轨道控制求解方法121

4.1.4.1 多冲量优化问题的自由度121

4.1.4.2 非线性最优化问题的表示和求解122

4.1.5 基于广义逆和数学规划方法的轨道控制仿真123

4.2 具有视线约束的相对运动轨道控制124

4.2.1 最大视线角计算方法124

4.2.2 基于参考视线的多次机动快速计算算法126

4.2.2.1 满足视线约束的几种策略126

4.2.2.2 机动点位置参数的选取127

4.2.2.3 基于参考视线的接近操作快速算法128

4.2.3 基于视线制导的停靠点逼近制导方法130

4.2.3.1 利用视线制导实现停靠点逼近存在的问题及解决方法130

4.2.3.2 纵向制导方法131

4.2.3.3 法向制导方法132

4.2.3.4 基于视线制导的停靠点逼近仿真133

4.3 相对运动中的多冲量滑移制导方法134

4.3.1 约束轨道下的多冲量轨道机动134

4.3.2 多冲量滑移轨道设计136

4.3.2.1 滑移轨道概念136

4.3.2.2 指数滑移轨道137

4.3.2.3 微分方程快速滑移轨道设计138

4.3.2.4 微分方程慢速滑移轨道设计139

4.3.2.5 多项式滑移轨道的设计140

4.3.3 滑移算法在相对运动轨道控制中的应用分析140

4.3.3.1 接近操作140

4.3.3.2 撤离操作141

4.3.4 近程接近与撤离滑移制导的仿真141

4.3.4.1 接近段仿真141

4.3.4.2 撤离段仿真144

4.3.5 考虑多约束条件下的滑移制导方法145

4.3.5.1 不同形式的约束轨道146

4.3.5.2 不同形式的微分方程147

4.3.5.3 多次机动速度增量的计算150

4.3.5.4 仿真算例151

4.3.6 滑移制导算法在撤离段应用探讨153

4.4 滑模变结构理论在相对运动轨道控制中的应用153

4.4.1 滑模变结构系统及滑模面的选择153

4.4.1.1 滑模变结构系统153

4.4.1.2 确定滑模面参数的二次型指标最优化方法154

4.4.2 抖振现象与抖振的削弱155

4.4.2.1 切换函数的近似连续化155

4.4.2.2 趋近率控制156

4.4.3 线性多变量系统滑模控制策略157

4.4.3.1 常值切换函数157

4.4.3.2 指数趋近率滑模控制157

4.4.3.3 同时启动递阶变结构控制158

4.4.4 不同策略下逼近段轨道控制的变结构方法仿真160

4.5 基于遗传－模糊控制方法的绕飞与逼近轨道控制164

4.5.1 绕飞与逼近操作过程164

4.5.2 绕飞与逼近段动力学模型165

4.5.3 模糊控制原理、控制表的建立及优化的方法166

4.5.3.1 模糊控制原理166

4.5.3.2 模糊控制表的建立166

4.5.3.3 利用遗传算法优化模糊控制表167

4.5.4 考虑导航误差时绕飞与逼近段操作仿真168

第5章 基于运动学的相对运动轨道控制方法172

5.1 编队构形的冲量捕获策略172

5.1.1 相对运动与冲量的关系172

5.1.1.1 冲量作用与轨道根数的关系172

5.1.1.2 轨道根数与相对运动的关系174

5.1.1.3 冲量作用与相对运动的关系174

5.1.2 简单多冲量与构形生成176

5.1.2.1 径向冲量作用176

5.1.2.2 沿迹向冲量作用177

5.1.2.3 轨道面法向冲量作用180

5.1.3 编队捕获策略与仿真180

5.1.3.1 编队捕获策略180

5.1.3.2 编队捕获仿真180

5.1.3.3 燃料估算183

5.2 构形重构的冲量控制策略184

5.2.1 推力模式的能控性分析184

5.2.2 相对运动构形的多冲量控制185

5.2.2.1 三次沿迹向控制冲量的求解185

5.2.2.2 轨道面法向控制冲量的求解186

5.2.2.3 冲量求解的讨论187

5.2.2.4 总燃耗与始末构形参数的关系188

5.2.3 基于简单四冲量的构形重构仿真188

5.2.3.1 初始条件188

5.2.3.2 仿真结果189

5.2.3.3 误差分析192

5.2.3.4 仿真结论193

5.3 基于多冲量的构形保持控制方法194

5.3.1 长期伴飞保持控制思路194

5.3.2 基于相对运动测量的构形确定方法195

5.3.3 构形保持控制仿真197

5.3.3.1 仿真条件197

5.3.3.2 仿真结果197

5.3.3.3 仿真结论202

5.4 不同发动机推力模型的构形控制效果分析202

5.4.1 三种推力模型202

5.4.2 相对运动状态转移矩阵204

5.4.3 基于不同推力模型的构形控制效果205

5.4.3.1 脉冲推力作用效果分析205

5.4.3.2 继电型推力作用效果分析206

5.4.3.3 连续推力作用效果分析208

5.4.4 连续变化小推力模型的工程方法209

5.4.4.1 控制作用效果的比较209

5.4.4.2 连续变推力到继电型推力模型的转换210

第6章 相对控制方法在非合作目标交会中的应用212

6.1 空间交会任务实现过程212

6.2 非合作目标空间交会过程示例214

6.3 非合作目标空间交会不同阶段特征及切换条件215

6.3.1 远近程交班的切换条件215

6.3.2 远近程交班过程描述217

6.3.3 不同交班点条件下的制导策略218

6.3.4 停靠点初始条件的选择219

6.3.5 近程接近段的约束条件219

6.4 非合作目标近程交会仿真219

6.4.1 远近程交班段仿真219

6.4.2 近程接近段仿真221

6.4.3 撤离段仿真222

第7章 近地轨道编队在InSAR系统中的应用226

7.1 InSAR系统中航天器编队优化设计226

7.1.1 主星带伴随编队模式InSAR系统概念的提出227

7.1.1.1 InSAR测量技术发展概况227

7.1.1.2 主星带伴随编队模式InSAR系统简介228

7.1.1.3 DEMs测量任务229

7.1.2 面向DEMs测量的主星带伴随编队InSAR系统约束分析230

7.1.2.1 测高精度约束230

7.1.2.2 覆盖约束234

7.1.3 主星带伴随编队InSAR系统优化设计238

7.1.3.1 优化设计方案239

7.1.3.2 优化设计实例——三星对称构形的伴随编队243

7.2 InSAR系统中航天器编队协同控制247

7.2.1 问题的提出与解决思路247

7.2.1.1 构形与姿态协同问题的提出247

7.2.1.2 构形与姿态协同控制实现的逻辑结构249

7.2.2 协同规划与控制250

7.2.2.1 航天器编队协同规划250

7.2.2.2 编队航天器构形与姿态协同控制252

7.2.3 构形与姿态协同控制仿真253

7.2.3.1 仿真条件设置253

7.2.3.2 构形保持控制254

7.2.3.3 姿态规划255

7.2.3.4 姿态控制256

第8章 椭圆轨道编队在日地空间探测中的应用259

8.1 日地空间探测中的典型项目介绍259

8.1.1 椭圆轨道编队飞行优势259

8.1.2 椭圆轨道编队飞行应用模式260

8.1.3 椭圆轨道编队飞行试验计划260

8.2 MMS任务编队设计要求与指标262

8.2.1 任务设计要求262

8.2.2 设计性能指标264

8.2.2.1 质量因子264

8.2.2.2 平均边长266

8.2.2.3 相关计算267

8.3 MMS任务编队构形设计268

8.3.1 初始条件确定268

8.3.2 编队性能分析269

8.3.3 编队设计方案272

8.4 考虑J2项的MMS稳定编队设计276

8.4.1 编队性能分析276

8.4.2 稳定编队设计方案279

参考文献283