航天器动力学与控制

　　本书阐述了航天器轨道和姿态的运动规律及其控制技术。全书以航天器动力学和控制为核心，首先概述航天器类型和航天器控制相关概念，介绍组成航天器控制系统的典型敏感器、控制器和执行机构；其次介绍航天器轨道与轨道动力学、轨道确定方法和轨道控制方法，航天器姿态运动学与动力学、姿态确定方法和姿态控制方法；最后介绍航天器自主导航、制导与控制方法。本书是北京控制工程研究所众多工程技术人员多年控制理论方法研究和工程实践的成果总结，是理论和工程实践相结合的产物。本书可作为高等院校宇航相关专业师生的教学参考书，也可供从事宇航工程、航天器控制系统设计及有关专业的科技人员参考。

　　解永春，研究员，博士生导师，现任职于北京控制工程研究所，科技委主任。主要从事航天器制导导航与控制、智能自适应控制等方面的研究工作。负责完成了神舟载人飞船制导导航与控制系统方案设计，成功实现了“神舟八号”到“神舟十号”与“天宫一号”的交会对接。获得部级科技进步一等奖等多项奖励，出版著作《航天器交会对接制导导航控制原理和方法》，发表核心期刊论文近百篇。雷拥军，研究员，博士生导师，现任职于北京控制工程研究所，低轨遥感控制资深主任设计师。主要从事航天器控制、智能自适应控制理论及应用等方向的研究工作。负责完成了多颗遥感卫星控制系统方案设计工作。获省部级科技进步奖多项奖励。出版著作《卫星姿态测量与确定》，发表核心期刊论文20余篇。郭建新，研究员，硕士生导师，现任职于北京控制工程研究所，中高轨卫星控制方案主任设计师。主要从事航天器自主导航及轨道控制、多体航天器复合控制等方向的研究工作。负责完成了我国新一代通信卫星和北斗导航卫星控制系统方案设计工作。获部级科技进步一等奖等多项奖励，发表核心期刊论文近10篇。

第 1章绪论001
1．1航天器类型002
1．1．1近地轨道卫星003
1．1．2月球及深空探测器004
1．1．3载人航天器005
1．1．4临近空间飞行器007
1．2航天器控制内涵009
1．2．1轨道运动009
1．2．2轨道确定010
1．2．3轨道控制010
1．2．4姿态运动011
1．2．5姿态确定012
1．2．6姿态控制012
1．2．7制导、导航与控制013
参考文献016
第　2章航天器控制系统017
2．1引言018
2．2姿态测量敏感器022
2．2．1红外地球敏感器022
2．2．2太阳敏感器025
2．2．3紫外敏感器029
2．2．4星敏感器031
2．2．5陀螺035
2．2．6磁强计040
2．3绝对导航敏感器042
2．3．1惯性测量单元042
2．3．2卫星导航敏感器046
2．3．3光学导航敏感器046
2．3．4脉冲星导航敏感器047
2．4相对导航敏感器052
2．4．1微波雷达052
2．4．2激光雷达054
2．4．3光学成像敏感器055
2．4．4差分卫星导航敏感器057
2．5执行机构060
2．5．1飞轮060
2．5．2控制力矩陀螺062
2．5．3磁力矩器064
2．6驱动机构066
2．6．1太阳电池阵驱动装置066
2．6．2天线驱动装置068
2．6．3推力矢量调节装置069
2．7推力器071
2．7．1推力器构成与特点071
2．7．2推力器主要技术指标072
2．7．3推力器的分类076
2．8星载计算机078
2．8．1星载计算机系统组成078
2．8．2星载计算机容错体系结构081
2．8．3星载计算机的发展083
参考文献085
第3章航天器轨道与轨道动力学087
3．1引言088
3．2时间系统和参考系089
3．2．1时间系统089
3．2．2坐标系092
3．2．3坐标系间的转换关系094
3．3二体问题和三体问题097
3．3．1二体问题概述097
3．3．2二体轨道运动常数098
3．3．3二体轨道几何方程100
3．3．4二体轨道几何性质102
3．3．5圆型限制性三体问题104
3．3．6平动点106
3．4航天器轨道特性108
3．4．1轨道参数及转换108
3．4．2星下点轨迹111
3．4．3发射窗口112
3．4．4地球同步轨道114
3．4．5太阳同步轨道114
3．4．6临界和冻结轨道116
3．4．7回归轨道117
3．4．8返回轨道117
3．4．9平动点轨道120
3．5轨道摄动方程及求解方法130
3．5．1密切轨道130
3．5．2Lagrange摄动方程131
3．5．3Gauss摄动方程132
3．5．4数值积分法133
3．5．5摄动法134
3．6轨道摄动源137
3．6．1地球非球形引力摄动137
3．6．2地球大气阻力摄动140
3．6．3日月引力摄动140
3．6．4太阳光压摄动141
3．6．5月球非球形引力摄动142
3．6．6火星非球形引力摄动143
3．6．7火星大气阻力摄动143
3．7航天器相对运动145
3．7．1坐标系定义145
3．7．2相对运动方程146
3．8动力学定轨150
3．8．1初轨确定150
3．8．2精密定轨152
参考文献158
第4章轨道控制159
4．1引言160
4．2轨道控制基础161
4．2．1轨道控制方程161
4．2．2脉冲式推力控制163
4．2．3有限推力控制165
4．2．4最优轨道控制问题166
4．3近地轨道航天器轨道控制167
4．3．1低轨航天器摄动分析及轨道保持167
4．3．2高轨航天器摄动分析及轨道保持176
4．3．3高轨航天器轨道转移194
4．4月球探测返回轨道控制199
4．4．1月球探测轨道动力学模型199
4．4．2月地返回轨道初步设计202
4．4．3月地返回轨道精确设计217
4．4．4月地转移脉冲推力轨道控制223
4．5平动点轨道控制226
4．5．1目标轨道设计226
4．5．2平动点轨道保持234
4．6无拖曳控制239
4．6．1线性化解耦控制模型240
4．6．2无拖曳控制工作模式241
4．6．3加速度计模式下的航天器无拖曳控制242
参考文献253
第5章航天器姿态运动学和动力学256
5．1引言257
5．2姿态及姿态运动学258
5．2．1姿态描述258
5．2．2姿态运动学262
5．3姿态动力学265
5．3．1刚体航天器姿态动力学265
5．3．2挠性航天器姿态动力学267
5．3．3充液航天器姿态动力学271
5．3．4多体航天器姿态动力学278
5．4空间环境干扰力矩293
5．4．1重力梯度力矩293
5．4．2太阳辐射力矩294
5．4．3气动力矩295
5．4．4地磁力矩297
参考文献299
第6章航天器姿态确定300
6．1引言301
6．2姿态敏感器误差建模302
6．2．1陀螺随机误差建模302
6．2．2星敏感器测量误差建模311
6．3几何姿态确定方法314
6．3．1自旋卫星姿态确定314
6．3．2三轴稳定卫星姿态确定318
6．3．2姿态异常下自旋角速度确定323
6．4状态估计姿态确定332
6．4．1自旋卫星姿态确定332
6．4．2基于太阳-地球测量的三轴稳定卫星姿态确定334
6．4．3基于星敏感器测量的三轴稳定卫星姿态确定338
6．5姿态敏感器相对误差标定345
6．5．1星敏感器间相对基准标定346
6．5．2陀螺误差标定355
6．6地面事后高精度姿态标校361
6．6．1陀螺常值漂移关系式361
6．6．2考虑低频误差时的陀螺等效常漂363
6．6．3陀螺等效常漂及星体角速度获取364
6．6．4基于等效陀螺常值漂移的姿态校准方法366
6．6．5仿真验证369
6．7对地成像要求的偏流角确定374
6．7．1成像坐标系374
6．7．2偏流角确定376
参考文献380
第7章航天器姿态控制382
7．1引言383
7．2基于推力器的姿态控制384
7．2．1自旋卫星喷气姿态控制384
7．2．2三轴稳定卫星喷气姿态控制390
7．3基于角动量管理装置的姿态控制398
7．3．1偏置动量航天器姿态稳定控制398
7．3．2零动量航天器姿态稳定控制409
7．3．3姿态机动控制415
7．4角动量管理装置操纵策略440
7．4．1飞轮操纵策略440
7．4．2控制力矩陀螺操纵策略457
7．4．3混合执行机构操纵策略486
7．5充液航天器控制494
7．5．1控制模型494
7．5．2姿态控制器设计495
7．6多体航天器姿态控制500
7．6．1具有运动天线的姿态复合控制500
7．6．2组合体姿态复合控制510
参考文献513
第8章航天器自主导航、制导与控制516
8．1引言517
8．2绝对自主导航518
8．2．1捷联惯性与GPS组合导航518
8．2．2基于姿态敏感器的自主导航521
8．2．3基于脉冲星的自主导航524
8．2．4基于星间测量的星座自主导航527
8．3相对自主导航532
8．3．1相对状态估计532
8．3．2自主定轨与相对状态估计538
8．4交会对接制导与控制541
8．4．1飞行阶段与任务要求541
8．4．2交会对接制导543
8．4．3交会对接控制546
8．5返回再入制导与控制551
8．5．1弹道式返回再入551
8．5．2弹道升力式返回再入552
8．5．3升力式返回再入554
8．5．4返回再入制导555
8．6地外天体软着陆制导与控制560
8．6．1月球软着陆560
8．6．2火星软着陆566
8．6．3小行星软着陆569
8．7星际飞行的制导与控制573
8．7．1星际飞行的基本概念573
8．7．2星际飞行的轨道转移576
8．7．3星际飞行的制导与控制578
参考文献580
索引583