空间非合作目标安全接近控制技术

　　陈小前白玉铸赵勇陈致钧著北京内容简介空间非合作目标安全接近控制是航天器在轨服务任务的基础技术。本书考虑空间非合作目标的翻滚运动、复杂外形、不确定条件等影响因素，研究了目标外形表征、近距离相对运动建模、可达域构建与碰撞风险评估等问题，提出了多种复杂条件下的非合作目标安全接近控制方法，并结合地面实验系统和在轨飞行实验对相关方法进行了验证。本书系统阐述了作者团队持续十余年的研究成果，可为我国开展复杂条件下的在轨服务任务提供理论支撑。

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目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 空间非合作目标的概念与特征/1
1.2 安全接近问题的内涵与特点/2
1.2.1 安全接近问题的内涵与描述/2
1.2.2 空间非合作目标安全接近的特点/5
1.3 国内外安全接近任务研究概况/7
1.3.1 交会对接类任务/7
1.3.2 空间碎片抓捕类任务/9
1.3.3 在轨维护类任务/11
1.3.4 总结评述/13
1.4 国内外相关理论研究进展/14
1.4.1 航天器相对运动建模方法研究进展/14
1.4.2 航天器控制理论与方法研究进展/16
1.4.3 航天器复杂外形重构研究进展/17
1.4.4 航天器安全接近控制方法研究进展/18
1.4.5 航天器近距离安全区与可达理论发展现状/20
1.4.6 航天器不确定性分析研究进展/21
1.4.7 非合作目标地面实验研究进展/22
1.5 本书主要内容/23
参考文献/24
第2章 航天器近距离相对运动建模方法 33
2.1 轨道相对运动模型/34
2.1.1 坐标系定义和转换/34
2.1.2 LVLH坐标系下的相对运动模型/37
2.1.3 目标体坐标系下的相对运动模型/39
2.2 姿态相对运动模型/40
2.2.1 单刚体转动动力学/40
2.2.2 欧拉角表示的相对姿态动力学/41
2.2.3 姿态动力学模型线性化误差分析/41
2.3 姿轨耦合相对运动模型/43
2.3.1 对偶四元数及一般运动描述/44
2.3.2 基于对偶四元数的相对运动模型/46
2.3.3 与传统相对运动方程比较/47
2.3.4 姿轨耦合特性分析/49
2.4 本章小结/50
参考文献/50
第3章 非合作目标近距离姿轨跟踪控制 52
3.1 空间非合作目标翻滚运动描述/53
3.1.1 空间非合作目标翻滚运动建模/53
3.1.2 空间非合作目标翻滚运动仿真/55
3.2 基于状态相关黎卡提方程的姿轨联合控制/57
3.2.1 问题描述/58
3.2.2 期望输入法和折减指标法设计/60
3.2.3 基于状态相关黎卡提方程的跟踪控制仿真/65
3.3 基于模型预测控制算法的姿轨联合控制/69
3.3.1 模型预测控制理论/69
3.3.2 显式模型预测控制器设计/71
3.3.3 基于显式模型预测控制的全局离线姿轨跟踪/73
3.4 基于非奇异终端滑模控制算法的姿轨耦合控制/75
3.4.1 非线性控制理论介绍/75
3.4.2 非奇异终端滑模控制器设计/77
3.4.3 基于非奇异终端滑模的姿轨耦合控制仿真/86
3.5 本章小结/92
参考文献/93
第4章 空间非合作目标外形表征方法 95
4.1 *小体积包络法/96
4.1.1 球形/多面体包络法/96
4.1.2 超二次曲面包络/97
4.1.3 其他表征方法/98
4.2 空间距离估计方法/98
4.2.1 空间位置关系/98
4.2.2 距离估计模型/99
4.2.3 椭球形距离估计方法与仿真分析/105
4.3 GMM采样重构法/113
4.3.1 GMM采样重构法发展现状/113
4.3.2 GMM采样重构法求解方法/114
4.3.3 GMM重构外形仿真/116
4.4 本章小结/117
参考文献/118
第5章 非合作目标安全接近的势函数控制方法 121
5.1 势函数方法的基本原理/122
5.1.1 势场描述/122
5.1.2 典型势函数/122
5.2 基于Sigmoid势函数的避障控制/126
5.2.1 Sigmoid势函数数学模型/126
5.2.2 椭球形障碍物避障控制律设计/129
5.2.3 长方体障碍物避障控制律设计/134
5.3 基于复合势函数的六自由度安全接近控制方法/143
5.3.1 考虑目标旋转时的势函数建立/144
5.3.2 六自由度复合控制器设计/147
5.3.3 仿真分析/152
5.4 本章小结/165
参考文献/165
第6章 复杂外形非合作目标安全接近控制方法 167
6.1 目标复杂外形的约束建模/168
6.1.1 目标姿态静止的复杂外形约束建模/168
6.1.2 目标姿态翻滚的复杂外形约束建模/171
6.2 静止复杂外形目标的有限时间控制方法/176
6.2.1 非奇异积分双环滑模控制器设计/177
6.2.2 稳定性分析/179
6.2.3 仿真分析/179
6.3 旋转复杂外形目标的固定时间控制方法/183
6.3.1 固定时间控制器设计/183
6.3.2 稳定性分析/185
6.3.3 仿真分析/186
6.4 本章小结/191
参考文献/191
第7章 复杂外形双航天器安全接近控制方法 193
7.1 双复杂外形约束与相对姿态约束融合的避撞约束构建方法/195
7.1.1 临界安全曲线理论/195
7.1.2 临界安全曲线仿真分析/203
7.2 双复杂外形约束下的轨迹规划方法/205
7.2.1 基于改进水流法的轨迹规划算法/206
7.2.2 多约束耦合作用下的速度规划方法/212
7.2.3 面向旋转目标的轨迹规划方法/217
7.3 基于模型预测控制与双复杂外形约束的姿轨联合控制/221
7.3.1 面向非旋目标的姿轨联合控制器设计/221
7.3.2 面向旋转目标的姿轨联合控制器设计/225
7.4 本章小结/230
参考文献/231
第8章 不确定条件下的航天器近距离悬停控制 233
8.1 不确定条件下的碰撞风险评估/234
8.1.1 常用碰撞风险评估方法/234
8.1.2 轨道偏差预报与仿真分析/235
8.1.3 碰撞概率计算方法/245
8.2 导航偏差影响下的悬停误差带建立/254
8.2.1 基于协方差分析描述函数法的导航偏差传播/254
8.2.2 安全接近区的定义与建立/258
8.3 基于降维固定时间的欠驱动悬停控制/260
8.3.1 欠驱动系统能控性分析/260
8.3.2 基于降维固定时间的欠驱动控制器设计/263
8.3.3 欠驱动悬停控制仿真分析/268
8.4 本章小结/270
参考文献/270
第9章 非合作目标相对运动可达域与安全区构建 272
9.1 基于奇诺多面体的航天器相对运动可达域构建/272
9.1.1 可达概念与*优控制的关系/272
9.1.2 基于奇诺多面体的相对可达域理论/275
9.1.3 失效航天器终端接近可达性分析/279
9.1.4 基于奇诺多面体可达域的碰撞预警分析/287
9.2 相对运动安全区及其在航天器碰撞预警中的应用/296
9.2.1 常用相对运动安全区构建方法/296
9.2.2 系统性能参数影响/302
9.2.3 动态安全域/303
9.2.4 碰撞风险评估“3C”模型/305
9.3 本章小结/306
参考文献/306
第10章 非合作目标安全接近控制实验技术 310
10.1 安全接近地面气浮模拟实验系统介绍/310
10.1.1 地面气浮实验平台硬件系统/310
10.1.2 地面气浮实验平台软件系统/314
10.1.3 地面气浮实验平台系统参数辨识/315
10.1.4 动力学模型简化/316
10.2 路经约束下*优跟踪控制算法地面实验/317
10.2.1 期望输入*优跟踪控制算法实验验证/317
10.2.2 路径约束*优控制算法实验验证/319
10.3 非合作目标位姿跟踪控制算法地面实验/321
10.3.1 非合作目标位姿跟踪任务场景描述/321
10.3.2 非合作目标位姿跟踪控制器设计/321
10.3.3 实验结果分析/322
10.4 复杂外形目标安全接近控制算法地面实验/327
10.4.1 复杂外形目标安全接近实验场景描述/327
10.4.2 模拟目标航天器复杂外形重构/327
10.4.3 复杂外形目标安全接近控制器设计/328
10.4.4 复杂外形目标安全接近实验结果分析/329
10.5 双星在轨接近飞行实验简介/333
10.5.1 飞行实验任务概述/334
10.5.2 飞行实验仿真数据/335
10.6 本章小结/337
参考文献/338
第11章 非合作目标安全接近技术总结与展望 339
11.1 非合作目标安全接近关键技术总结/339
11.2 非合作目标安全接近技术发展展望/342