静止轨道卫星姿态轨道控制技术

　　地球静止轨道卫星普遍具有挠性、充液、多体等动力学特性，长寿命高可靠方面的要求突出，控制任务和控制模式多样，控制系统结构组成复杂，工程上需要考虑的技术问题众多。本书对地球静止轨道卫星涉及的姿态控制和轨道控制技术进行系统而深入的阐述。全书共12章，分为5个部分：第1部分（第1、3、6章）全面介绍相关的背景知识和基础知识，包括静止轨道卫星的基本概念和技术发展脉络、姿态运动学与动力学、轨道动力学等；第2部分（第4、5章）深入阐述静止轨道卫星姿态控制技术，包括喷气姿态控制和角动量交换姿态控制两大主题；第3部分（第7章）深入阐述静止轨道卫星轨道控制技术，以基于化学推进的轨道控制为主；第4部分（第8、9章）系统介绍本领域的两个重点发展方向，即智能自主控制和静止轨道微小卫星控制；第5部分（第2、10、11、12章）全面介绍与工程实践密切相关的技术，包括静止轨道卫星控制系统设计流程、FDIR设计、地面验证、飞行控制支持与在轨保障等。 本书可作为静止轨道卫星控制领域工程技术人员的案头参考书，也可作为相关专业的研究生教材，并可供航天器动力学及航天器控制领域的科研人员参考。

　　王佐伟，博士，研究员。长期从事航天器控制系统设计与集成、现代控制理论与应用等方面的研究开发工作。具有控制系统研发、方案设计、工程型号技术集成等多方面的经历和经验。

目录




第1章概论1

1.1静止轨道卫星的定义与特点1

1.2静止轨道卫星的发展概述3

1.2.1静止轨道通信卫星3

1.2.2静止轨道数据中继卫星7

1.2.3静止轨道气象卫星与光学成像卫星8

1.2.4静止轨道电子侦察卫星10

1.2.5静止轨道导弹预警卫星10

1.3静止轨道卫星轨道、姿态控制任务及特点11

1.3.1轨道控制11

1.3.2姿态控制12

1.3.3姿态确定15

1.3.4局部指向控制与多级指向控制15

1.4静止轨道卫星姿态轨道控制技术展望16

1.4.1大型复杂卫星与小型敏捷卫星的高性能控制16

1.4.2智能自主控制与人工智能应用16

1.4.3控制系统的标准化、通用化、模块化16

1.4.4分布式架构与信息融合17

1.5全书内容介绍17

参考文献18
第2章静止轨道卫星控制系统设计要览21

2.1概述21

2.2卫星控制系统开发流程21

2.2.1任务分析与概要设计21

2.2.2方案设计22

2.2.3技术设计23

2.2.4系统测试23

2.2.5发射及在轨维护23

2.3卫星控制任务分析24

2.3.1静止轨道卫星控制任务需求24

2.3.2静止轨道卫星控制任务分析25

2.4卫星控制系统概要设计与部件选型28

2.4.1控制系统敏感器28

2.4.2控制系统执行机构41

2.5卫星控制系统方案设计45

2.5.1控制模式设计46

2.5.2姿态确定方案设计48

2.5.3姿态控制方案设计52

2.6卫星控制系统数字化仿真54

2.6.1面向工程应用的数字化仿真54

2.6.2控制系统数字孪生与智慧化仿真技术56

2.7小结59

参考文献60
第3章静止轨道卫星姿态运动学与动力学62

3.1概述62

3.2姿态描述62

3.2.1坐标系与坐标变换62

3.2.2静止轨道卫星常用坐标系64

3.2.3方向余弦矩阵66

3.2.4欧拉角67

3.2.5欧拉轴/角69

3.2.6姿态四元数74

3.2.7罗德里格斯参数81

3.3姿态运动学82

3.3.1方向余弦矩阵对应的运动学方程82

3.3.2欧拉角对应的运动学方程83

3.3.3欧拉轴/角对应的运动学方程85

3.3.4姿态四元数对应的运动学方程86

3.3.5罗德里格斯参数对应的运动学方程87

3.4刚体卫星姿态动力学88

3.4.1基本概念88

3.4.2动力学方程92

3.4.3动力学特性分析94

3.5挠性卫星姿态动力学100

3.5.1基于悬臂梁模型的挠性卫星动力学建模101

3.5.2挠性动力学特性分析103

3.5.3挠性卫星动力学工程化建模105

3.6充液卫星姿态动力学109

3.6.1基本概念109

3.6.2液体横向晃动建模及分析111

3.6.3液体横向晃动的等效动力学模型114

3.6.4挠性充液卫星动力学综合模型118

3.7多体卫星姿态动力学119

3.8空间环境力矩123

3.8.1太阳光压力矩123

3.8.2重力梯度力矩126

3.8.3地磁力矩128

参考文献132
第4章静止轨道卫星喷气姿态控制135

4.1概述135

4.2喷气控制原理136

4.2.1喷气控制系统的工作原理及特点136

4.2.2喷气控制系统的分析方法138

4.2.3喷气控制系统的设计要求140

4.3基于经典控制方法的喷气控制141

4.3.1方法概述141

4.3.2伪速率调制器的设计与分析142

4.3.3PID与校正滤波器的设计148

4.3.4稳定性分析153

4.3.5数值仿真158

4.4基于自适应模糊系统的喷气控制162

4.4.1方法概述162

4.4.2问题描述164

4.4.3基于直接型自适应模糊系统的喷气控制166

4.4.4基于间接型自适应模糊系统的喷气控制172

4.5基于滑模变结构方法的喷气控制177

4.5.1方法概述177

4.5.2基于VSC的直接开关型喷气控制180

4.5.3基于VSC的脉冲调制型喷气控制183

4.6基于特征模型的喷气控制190

4.6.1方法概述190

4.6.2基于特征建模的控制方法设计要点192

4.6.3基于特征建模的喷气控制195

4.7基于喷气的姿态快速机动控制199

4.7.1概述199

4.7.2姿态机动路径规划200

4.7.3基于跟踪微分和特征模型的喷气姿态机动控制205

4.7.4基于特征模型的滑模喷气姿态机动控制208

4.8小结210

参考文献211
第5章静止轨道卫星角动量交换姿态控制214

5.1概述214

5.2整星偏置角动量控制215

5.2.1角动量控制原理215

5.2.2偏置角动量控制系统分析215

5.2.3偏置动量卫星滚动偏航通道控制221

5.3整星零角动量控制228

5.3.1环境干扰力矩影响分析228

5.3.2角动量装置构型选择232

5.3.3轮系角动量包络分析238

5.4基于自抗扰算法的零动量姿态控制239

5.4.1概述239

5.4.2双回路自抗扰姿态控制243

5.4.3单回路自抗扰姿态控制248

5.5基于融合算法的零动量姿态控制252

5.5.1概述252

5.5.2基于间接型AFS和干扰补偿的姿态稳定控制252

5.5.3基于直接型AFS和干扰补偿的姿态稳定控制261

5.5.4滑模与模糊系统相融合的姿态控制264

5.6基于角动量交换的姿态机动控制268

5.6.1概述268

5.6.2基于特征模型的平滑姿态机动269

5.6.3兼顾机动性能与稳态性能的姿态控制270

5.7角动量管理273

5.8在轨估计与辨识277

5.8.1动量轮摩擦力矩在线估计277

5.8.2太阳光压力矩在线估计280

5.8.3挠性模态在线辨识与抑制281

5.9小结283

参考文献285
第6章静止轨道卫星轨道动力学288

6.1概述288

6.2时间系统与空间坐标系288

6.2.1时间系统288

6.2.2地球运动模型290

6.2.3空间坐标系292

6.3二体问题及轨道根数293

6.3.1二体问题经典轨道根数293

6.3.2地球静止轨道无奇异根数296

6.3.3轨道参数的计算和转换296

6.4静止轨道卫星轨道摄动298

6.4.1摄动方程298

6.4.2地球非球形引力摄动299

6.4.3日月引力摄动302

6.4.4太阳光压摄动311

6.4.5小结313

6.5轨道控制动力学314

6.5.1轨控推力模型314

6.5.2脉冲推力动力学方程314

6.5.3连续推力动力学方程315

6.6相对轨道动力学316

6.6.1坐标系及基本假设316

6.6.2圆参考轨道相对动力学方程317

参考文献319
第7章静止轨道卫星轨道控制320

7.1概述320

7.2静止轨道控制方程321

7.3南北位置保持323

7.3.1倾角控制目标323

7.3.2倾角控制量324

7.3.3倾角控制时刻325

7.4东西位置保持326

7.4.1平经度控制目标327

7.4.2平经度控制量328

7.4.3平经度控制时刻329

7.5偏心率控制330

7.5.1偏心率控制目标330

7.5.2偏心率控制量331

7.5.3偏心率控制时刻332

7.6漂星、共位与离轨控制332

7.6.1漂星控制332

7.6.2共位控制334

7.6.3离轨控制337

7.7小结338