飞行动力学与控制：航天器编队飞行导论

　　航天器编队飞行是20世纪90年代中后期随着小卫星技术的发展而出现的、研究多航天器临近飞行并协同工作的一门新技术，是一种代表未来航天器发展趋势的技术。《空天科学与工程系列教材·飞行动力学与控制：航天器编队飞行导论》主要内容分为基础篇与前沿篇。基础篇以运行于二体轨道且相互间不存在力作用的航天器编队为对象，介绍编队飞行的动力学方程、构形设计方法与摄动分析、相对测量原理、多冲量的相对运动控制方法，以及应用于InSAR系统的优化设计与协同控制方法；前沿篇介绍一些“拓展的”编队概念，如限制性三体轨道区域的航天器编队、航天器间相互存在力作用的航天器编队（包括绳系卫星、电磁力编队、库仑力编队等）、环境作用力形成的编队（如洛伦兹力编队），以及多种作用力的复合编队概念（如光子绳系编队、库仑力-洛伦兹力编队）等。书可作为高等院校相关专业高年级本科生及研究生的教学参考书，亦可供航天器研究、设计专业人员参考。

　　孟云鹤，男，1978年生。河北永清人。2006年获国防科技大学航空宇航科学与技术学科工学博士学位，现任国防科技大学航天科学与工程学院副教授，硕士生导师。主要研究方向为飞行动力学与控制。从2007年陆续为本科生、研究生主讲“飞行器动力学、制导与控制”、“飞行力学”、“分布式航天器系统理论与应用”等课程。两次获国防科技大学研究生教学优秀奖。主持并完成国家自然科学基金、“863”等课题10余项，发表学术论文40余篇，出版学术专著、教材3部，2009年获军队科技进步二等奖一项。

第1章 绪论
1.1 航天器编队飞行特点与应用方向
1.1.1 航天器的集群化发展趋势
1.1.2 航天器编队飞行的特点
1.1.3 航天器编队飞行的应用方向
1.2 航天器编队飞行的技术基础与概念拓展
1.2.1 航天器编队飞行的动力学与控制基础
1.2.2 航天器编队飞行的概念拓展
1.3 本书内容安排
参考文献
第2章 航天器编队飞行的动力学方程
2.1 Clohessy-wiltshire方程
2.1.1 相对运动动力学方程的建立基础
2.1.2 相对运动动力学方程的建立
2.1.3 相对运动动力学方程的简化
2.1.4 C-W方程的解集分析
2.1.5 基于C-W方程的构形设计方法
2.1.6 C-W方程的误差分析
2.2 Lawden与Tschauner-Hempel方程
2.2.1 T-H方程的推导
2.2.2 Lwden的推导与分析
2.2.3 Lawden方程的求解
2.2.4 Lawden方程解的周期性条件
参考文献
第3章 近圆轨道航天器编队构形设计与摄动分析
3.1 相对运动与构形设计
3.1.1 变量定义与前提条件
3.1.2 运动学方程的建立
3.1.3 运动学方程的一阶近似
3.1.4 用轨道根数表达相对运动
3.1.5 近圆轨道编队构形的设计步骤
3.2 编队构形稳定性分析
3.2.1 编队构形稳定性仿真分析
3.2.2 编队构形破坏机理分析
3.3 三轴振动同步的构形设计方法
3.3.1 三轴振动同步的条件
3.3.2 基于三轴振动同步的编队构形设计步骤
3.3.3 三轴振动同步的构形仿真
3.4 J2摄动作用下编队构形的表达
3.4.1 构形表达式的重新推导
3.4.2 人摄动作用下编队构形表达式
3.4.3 仿真结果分析
参考文献
第4章 椭圆轨道航天器编队的相对运动分析与构形设计
4.1 椭圆轨道的相对运动表达与摄动分析
4.1.1 椭圆轨道编队相对运动的真近点角表达形式
4.1.2 椭圆轨道编队相对运动的平近点角表达形式
4.1.3 摄动分析以及考虑摄动的编队设计
4.1.4 椭圆轨道相对运动的仿真分析
4.2 椭圆轨道的编队构形设计
4.2.1 椭圆轨道相对运动的基本轨迹
4.2.2 椭圆轨道相对运动轨迹的特性分析
4.2.3 椭圆轨道相对运动构形设计
4.3 椭圆轨道编队飞行的应用简介
4.3.1 椭圆轨道编队飞行试验计划
4.3.2 地磁场测量的任务阶段
4.3.3 椭圆轨道编队飞行的优势
参考文献
第5章 基于GNSS的相对运动测量原理
5.1 GNSS相对测量原理与应用
5.1.1 GNSS相对测量原理
5.1.2 GNSS在卫星相对测量中的工程应用
5.2 相对运动测量中的滤波技术
5.2.1 EKF滤波
5.2.2 UKF滤波
参考文献
第6章 基于多冲量的相对运动构形控制方法
6.1 编队构形的冲量捕获策略
6.1.1 相对运动与冲量的关系
6.1.2 简单多冲量与构形生成
6.1.3 编队捕获策略与仿真
6.2 构形重构的冲量控制策略
6.2.1 推力模式的能控性分析
6.2.2 相对运动构形的多冲量控制
6.2.3 基于简单四冲量的构形重构仿真
6.3 基于多冲量的构形保持控制方法
6.3.1 长期伴飞保持控制思路
6.3.2 基于相对运动测量的构形确定方法
6.3.3 基于多冲量的构形保持控制仿真
6.4 不同发动机推力模型的构形控制效果分析
6.4.1 三种推力模型
6.4.2 相对运动状态转移矩阵
6.4.3 基于不同推力模型的构形控制效果
6.4.4 连续变化小推力模型的工程实现方法
参考文献
第7章 InsAR航天器编队的设计与控制
7.1 InSAR航天器编队的优化设计
7.1.1 主星带伴随编队模式的InSAR系统概念
7.1.2 面向SEMs测量的主星带伴随编队InSAR系统约束分析
7.1.3 主星带伴随编队InSAR系统优化设计
7.2 InSAR航天器编队的协同控制
7.2.l SAR卫星的多普勒频移与偏航导引补偿
7.2.2 InSAR编队的协同控制问题与解决思路
7.2.3 协同规划与控制方法
7.2.4 构形与姿态协同控制仿真
参考文献
第8章 平动点轨道航天器编队飞行
8.1 DARWIN与TPF计划
8.1.1 DARwIN计划
8.1.2 TPF计划
8.2 三体轨道概念简介
8.2.1 限制性三体轨道动力学
8.2.2 雅可比积分与力场特性
8.2.3 平动点概念
8.2.4 平动点附近的周期轨道
8.3 平动点轨道编队构形的设计与控制
8.3.1 平动点轨道编队飞行的动力学模型
8.3.2 基于Floquct模态的平动点轨道编队构形设计
8.3.3 基于noquct模态的平动点轨道编队构形控制
参考文献
第9章 绳系卫星系统
9.1 绳系卫星的研究概况
9.1.1 概念起源
9.1.2 工程实践
9.2 非导电绳系卫星的动力学
9.2.1 重力梯度效应
9.2.2 动量交換原理
9.2.3 绳系系统的动力学建模
9.3 导电绳系卫星的电动力学
9.3.1 电动作用原理
9.3.2 电子发射与电流采集技术
9.4 面向应用的绳系系统设计
9.4.1 系统概念与发展
9.4.2 系统结构与组成
9.4.3 系统的空间操作
9.5 光子绳系编队飞行的概念
9.5.1 光子绳系编队的原理
9.5.2 光子绳系编队的结构与组成
9.5.3 光子推进和绳系编队的应用设想
参考文献
第10章 电磁力编队飞行
10.1 电磁力编队飞行的基本原理
10.1.1 电磁力编队飞行的基本概念与优势
10.1.2 电磁力编队飞行的未来应用设想
10.2 电磁力编队飞行的动力学建模
10.2.1 电磁力／力矩
10.2.2 环路电流的磁场
10.2.3 电磁力编队飞行的数学建模
10.3 电磁力编队的关键技术问题
10.3.1 高温超导技术
10.3.2 电磁系统总体与实验设计技术
10.3.3 电磁力／力矩计算与测量技术
10.3.4 非线性控制技术
参考文献
第11章 库仑力编队飞行
11.1 库仑力编队的基本原理
11.1.1 航天器的空间充电现象
11.1.2 库仑力形成的物理机理
11.1.3 Debyc效应与静电力的计算
11.2 库仑力编队的动力学建模与虚拟结构
11.2.1 库仑力编队的Hill方程
11.2.2 库仑编队静态稳定构形
11.2.3 库仑力的虚拟空间结构
11.3 库仑力编队的新进展
11.3.1 平动点库仑力编队
11.3.2 库仑绳系编队
参考文献
第12章 洛伦兹力编队飞行
12.1 洛伦兹力航天器的基本概念
12.1.1 带电物体在磁场中受到的洛伦兹力
12.1.2 洛伦兹力航天器系统结构设想
12.1.3 洛伦兹力在两类典型地心轨道上的应用
12.1.4 简单构形重构仿真分析
12.2 洛伦兹力航天器编队的动力学方程与分析
12.2.1 考虑洛伦兹力的相对运动方程
12.2.2 圆参考轨道线性方程的运动稳定性分析
12.2.3 基于线性方程的可控性分析
12.3 库仑力-洛伦兹力航天器编队飞行介绍
12.3.1 洛伦兹力与库仑力的比较分析
12.3.2 库仑力-洛伦兹力航天器编队概念
12.4 洛伦兹力的扩展应用
12.4.1 洛伦兹力作用下的拉格朗日行星运动方程
12.4.2 利用洛伦兹力增强引力辅助变轨技术
参考文献