复杂航天器先进姿态控制技术

　　本书系统地总结了作者在复杂航天器姿态控制领域的先进技术成果和工程试验经验。全书内容共分为12章，介绍了复杂航天器的物理运动参考系统、刚柔耦合部件的数学模型、姿态确定方法和多种姿态控制先进算法技术。具体算法技术涉及多角度机动控制、柔性振动抑制、机动路径规划、奇异摄动分析和变参数控制应用等方面。全书重点论述了复杂航天器先进姿态控制所需要的一系列高精度姿态确定方法和高精度、高稳定度、快速机动姿态控制方法。本书主要面向航天器制导导航与控制系统设计人员和从事复杂运动体控制理论与控制工程研究的科技人员，同时也可供航天器设计、自动化控制等相关专业的高校研究生阅读参考。

　　周伟敏，博士，研究员，曾任中国航天科技集团公司八院科技委常委，型号总指挥。长期从事航天型号测试系统研制及卫星总体工作，曾任实践七号卫星行政负责人，任遥感卫星八号、遥感卫星三十四号型号总指挥。带领团队研制我国第一颗宽幅光学卫星“遥感卫星八号”，并二次荣获国家科技进步二等奖。曾获航天创新奖，上海市科技领军人才。享受国务院特贴。朱庆华，博士，研究员，上海航天控制技术研究所任职，长期从事航天器导航制导与控制技术研究，任遥感卫星三十四号副总设计师，我国首次火星探测天问一号环绕器副总技术负责人，获国家科技进步二等奖1项，国防科技进步一等奖1项、二等奖1项，军队科技进步一等奖1项，获航天科技集团有限公司青年拔尖人才，上海市学术带头人等称号。梁玉莹，女，北京航空航天大学宇航学院，副教授/博导，从事航天器动力学与控制、先进智能方法及其航天应用等方面的研究工作。本科毕业于北京航空航天大学宇航学院飞行器设计与工程专业，博士毕业于北京航空航天大学宇航学院飞行器设计专业。2018年-2019年，在加拿大约克大学做博士后工作；2019年7-11月受到加拿大Mitacs基金的资助，在巴塞罗那大学做短期访问学者；2019年-2021年，获评日本学术振兴学者，受邀在JAXA宇宙科学研究所参与日本2024年发射的MMX火卫一探测飞行器，合作导师川勝康弘（MMX任务项目经理）和藤本正树（宇宙科学研究所副所长）。

目录
第1章绪论1
1.1国外空间遥感卫星发展现状1
1.2航天器姿态确定技术发展现状6
1.2.1模型及参数不确定性问题7
1.2.2姿态控制测量不确定性问题11
1.2.3航天器姿态敏感器简介13
1.3航天器姿态控制技术发展现状14
1.3.1被动姿态控制14
1.3.2主动姿态控制16
1.4复杂航天器姿态特点与控制难点17
1.4.1国内外典型含柔性附件航天器简介17
1.4.2柔性航天器控制技术发展19
1.4.3光学遥感卫星成像控制研究22
1.4.4高精度遥感卫星姿态控制难点27
1.4.5大型桁架结构航天器姿态控制热点28
1.5本章小结29
参考文献30
第2章姿态运动学和动力学38
2.1引言38
2.2常用的坐标系38
2.2.1惯性坐标系38
2.2.2地心J2000惯性坐标系OiXiYiZi38
2.2.3轨道坐标系OoXoYoZo39
2.2.4航天器本体坐标系ObXbYbZb40
2.2.5WGS84坐标系OeXeYeZe40
2.2.6相机坐标系OsXsYsZs40
2.2.7像面坐标系OcXcYcZc40
2.3航天器姿态描述方法41
2.3.1坐标系空间转换与方向余弦阵41
2.3.2欧拉定理和欧拉四元数44
2.3.3矢量运算和四元数运算46
2.4航天器姿态运动学方程49
2.4.1方向余弦阵运动学方程49
2.4.2欧拉角运动学方程49
2.4.3四元数运动学方程52
2.5航天器姿态动力学基础方程53
2.5.1动量矩定理53
2.5.2单刚体航天器的姿态动力学方程54
2.6复杂航天器系统耦合动力学方程55
2.6.1帆板驱动电机动力学模型55
2.6.2系统耦合动力学模型56
2.6.3系统耦合振动频率和阻尼比分析58
2.7空间环境干扰力矩59
2.7.1引力梯度力矩59
2.7.2气动力矩60
2.7.3太阳光压力矩61
2.7.4地磁力矩63
2.8本章小结63
参考文献64
第3章航天器姿态测量与高精度确定算法65
3.1引言65
3.2空间姿态测量原理65
3.2.1经典Wahba问题65
3.2.2双矢量定姿TRIAD法66
3.2.3惯性姿态测量和计算67
3.3常用姿态敏感器及其数学模型68
3.3.1星敏感器68
3.3.2陀螺73
3.3.3太阳敏感器79
3.3.4磁流体角位移传感器84
3.4传统姿态确定方法86
3.4.1参考矢量法86
3.4.2惯性测量法88
3.4.3统计估计法88
3.5卡尔曼滤波在航天器姿态确定中的应用89
3.5.1卡尔曼滤波技术简述89
3.5.2EKF在航天器姿态确定中的应用90
3.6快速姿态机动航天器姿态确定方法97
3.6.1基于鲁棒扩展卡尔曼滤波的姿态确定算法研究97
3.6.2基于强跟踪滤波的姿态确定算法研究102
3.7基于磁流体角位移传感器的宽频姿态确定106
3.7.1航天器在轨振动情况107
3.7.2宽频测量敏感器特性109
3.7.3宽频姿态角信息融合方法110
3.8航天器姿态测量及指向基准在轨辨识114
3.8.1安装误差相关定义114
3.8.2星敏感器间安装误差估计115
3.8.3星敏感器与载荷间安装误差估计117
3.9本章小结118
参考文献119
第4章敏捷航天器姿态控制与角动量管理120
4.1引言120
4.2绕空间欧拉轴的任意角度姿态机动策略121
4.2.1空间欧拉轴的确定121
4.2.2空间任意角度姿态机动策略122
4.3基于路径规划的姿态敏捷机动控制123
4.3.1时间最优姿态机动路径规划123
4.3.2准时间最优姿态机动路径规划124
4.3.3平缓加减速姿态机动路径规划126
4.3.4姿态机动路径跟踪控制127
4.3.5仿真算例127
4.4递阶饱和姿态敏捷机动控制134
4.4.1递阶饱和算法基本原理135
4.4.2固定偏差角上限递阶饱和控制器设计136
4.4.3变偏差角上限递阶饱和控制器设计137
4.4.4仿真算例138
4.5控制力矩陀螺群及其操纵律140
4.5.1控制力矩陀螺工作原理140
4.5.2配置控制力矩陀螺群的航天器动力学模型140
4.5.3控制力矩陀螺群奇异回避操纵律141
4.5.4控制力矩陀螺群奇异逃离操纵律143
4.6执行机构角动量管理145
4.6.1磁力矩器工作原理145
4.6.2磁卸载控制145
4.7本章小结146
参考文献147
第5章柔性航天器姿态控制系统148
5.1引言148
5.2柔性航天器的姿态动力学建模149
5.2.1弹性变形运动的数学描述149
5.2.2变形体的离散化方法150
5.2.3柔性航天器动力学的基本力学原理150
5.2.4建立柔性航天器的姿态动力学模型151
5.3柔性振动抑制方法概述156
5.3.1柔性机构的被动振动控制157
5.3.2柔性机构的主动振动控制158
5.3.3柔性机构的主动、被动一体化振动控制159
5.3.4结构主动振动控制作动器159
5.3.5振动主动控制器设计163
5.3.6成型器设计165
5.4柔性航天器姿态机动控制方法简介173
5.4.1古典控制方法173
5.4.2现代控制方法173
5.4.3柔性航天器姿态PD控制175
5.4.4柔性航天器姿态变结构控制177
5.4.5仿真算例183
5.5考虑模型不确定性的动态滑模姿态控制185
5.5.1基于动态滑模的姿态镇定控制律185
5.5.2数值仿真与结果分析188
5.6本章小结192
参考文献193
第6章基于路径规划和变系数PD的航天器快速姿态控制194
6.1引言194
6.2姿态机动路径规划原理194
6.2.1三角形角速度姿态机动路径194
6.2.2梯形角速度姿态机动路径196
6.2.3二次多项式角速度姿态机动路径197
6.2.4三次多项式角速度姿态机动路径199
6.2.5正弦角加速度姿态机动路径200
6.2.6仿真与验证201
6.3变系数PD快速稳定姿态控制器设计204
6.3.1基于指数形式的变系数PD控制器设计205
6.3.2基于幂次形式的变系数PD控制器设计206
6.4数学仿真验证结果与分析207
6.4.1标称转动惯量的情况209
6.4.2转动惯量存在偏差的情况212
6.5在轨试验验证结果与分析216
6.6本章小结216
参考文献219
第7章基于输入成型的柔性航天器控制220
7.1引言220
7.2输入成型器抑振的基本原理及其设计220
7.3典型输入成型器的鲁棒性分析223
7.3.1ZV成型器的鲁棒性分析223
7.3.2ZVD成型器的鲁棒性分析223
7.3.3鲁棒性分析小结224
7.4输入成型应用于大柔性结构航天器的三轴姿态机动控制验证225
7.4.1多模ZV输入成型器设计225
7.4.2输入成型器调制后的导引姿态路径226
7.4.3姿态机动控制仿真结果与分析227
7.5输入成型应用于柔性帆板驱动过程中的振动抑制验证229
7.5.1地面验证试验系统组成229
7.5.2地面验证试验内容230
7.5.3试验结果与分析231
7.6本章小结234
参考文献236
第8章奇异摄动理论在高精度柔性航天器姿态控制系统中的应用237
8.1引言237
8.2奇异摄动理论简介237
8.2.1奇异摄动理论的提出237
8.2.2标准奇异摄动模型237
8.2.3奇异摄动理论的发展与应用238
8.3基于奇异摄动理论的柔性航天器姿态控制系统设计239
8.3.1柔性航天器的奇异摄动分解239
8.3.2基于PID和LQR的复合控制器设计241
8.3.3基于滑模变结构控制和LQR的复合控制器设计243
8.4仿真算例247
8.5本章小结253
参考文献254
第9章航天器快速机动的先进控制方法255
9.1引言255
9.2快速姿态机动路径规划255
9.2.1姿态机动路径规划简介255
9.2.2抛物线形加速度曲线机动路径设计思路256
9.3快速机动的传统非线性控制257
9.3.1基于Lyapunov函数的非线性控制258
9.3.2变结构姿态控制I261
9.3.3变结构姿态机动控制Ⅱ264
9.3.4自抗扰姿态机动控制264
9.4快速机动的智能控制268
9.4.1模糊控制268
9.4.2神经网络控制271
9.4.3自适应模糊神经网络控制277
9.5本章小结281
参考文献282
第10章不确定性航天器模型的快速姿态跟踪与控制283
10.1引言283
10.1.1不确定性航天器模型的快速姿态控制问题283
10.1.2转动惯量不确定性的控制问题283
10.1.3测量不确定性的状态观测与控制问题284
10.2基本假设与相关引理285
10.2.1有限时间稳定定义与引理285
10.2.2预设性能控制定义与引理285
10.2.3柔性自适应控制基本假设与引理286
10.3基于有限时间的自适应姿态跟踪控制律287
10.4基于预设性能的状态约束有限时间跟踪控制292
10.5不确定性模型快速跟踪控制数值仿真分析293
10.6基于反步法的自适应鲁棒控制律296
10.7转动惯量不确定性模型自适应数值仿真分析299
10.8基于状态反馈的无角速度信息姿态控制律303
10.9基于观测器的无角速度信息姿态控制律307
10.10测量不确定性姿态控制数值仿真分析310
10.11本章小结314
参考文献316
第11章航天器变参数控制器设计方法317
11.1引言317
11.2线性变参数系统建模318
11.2.1线性变参数系统理论基础318
11.2.2线性变参数系统建模方法320
11.2.3基于HOSVD的LPV系统多胞分解322
11.2.4模型降阶323
11.3线性变参数系统稳定性分析330
11.3.1线性矩阵不等式330
11.3.2线性变参数系统的稳定性332
11.3.3线性变参数系统的性能指标333
11.4线性变参数控制系统设计334
11.4.1变参数鲁棒变增益控制方法334
11.4.2输入受限LPV系统鲁棒变增益控制341
11.5仿真算例346
11.6本章小结354
参考文献355
第12章光学遥感航天器像移补偿与在轨自主路径规划356
12.1引言356
12.2典型的光学遥感成像模式356
12.3TDICCD成像原理及像移补偿原理357
12.3.1TDICCD相机的工作原理358
12.3.2TDI相机的像移速度矢量模型358
12.3.3TDI相机的像移补偿方法362
12.3.4像移补偿对姿态控制的要求363
12.4航天器在轨自主成像姿态路径规划365
12.4.1航天器指向目标的导引姿态计算365
12.4.2航天器飞抵目标时的升交点幅角及垂直角距计算367
12.4.3线阵相机侧摆时的地面幅宽角计算368
12.4.4地表区域目标的条带划分算法369
12.4.5确定TDI相机在哪轨对目标成像371
12.4.6多条带拼接的姿态路径规划方法372
12.4.7折线扫描的姿态路径规划方法373
12.5路径规划与控制仿真验证374
12.6本章小结377
参考文献378