了得網工業技術_航天器編隊飛行動力學控制與導航

內容簡介

《航天器編隊飛行--動力學控制與導航》作者阿爾弗林德教授是航天器編隊技術領域的權威學者，他們充分發揮在本領域研究的領先優勢，總結已有研究成果，完成了這本權威性論著。全書針對近地軌道航天器編隊，詳細介紹考慮航天器姿態和軌道相對運動的編隊動力學建模、控制和導航等相關內容。在航天器相對運動動力學模型部分，給出了幾種常用的攝動和非攝動相對運動非線性模型、二體假設下的相對運動線性微分方程以及基於軌道根數的相對運動模型，介紹了降低攝動影響的方法，並分析了轉動和平動耦合情況下的相對運動模型。在航天器編隊控制部分，討論了編隊建立、隊形保持和隊形重構過程中的連續和脈衝控制方法，介紹了加速度施加誤差對控制性能的影響，探討了引入加速度計測量提升繫統性能的可行方法。在相對導航部分，討論了不同濾波算法在相對軌道確定問題中的應用。

本書可作為高校航空航天專業高年級本科生和研究生的教材，也可供相關領域的教師和工程技術人員參考。

作者簡介

Kyte T．A1friend博士，現任得克薩斯農工大學航空航天工程繫工程試驗站特聘研究講座教授(曾於1997年至2000年期間擔任該部門主管)，美國海軍研究生院客座教授，美國國家工程院院士，美國天文學會和美國航空航天學會會士，國際宇航科學院院士，美國空軍大學監事會成員。曾獲美國天文學會德克·布勞爾獎和美國航空航天學會飛行力學與控制獎，受邀在2008以色列宇航科學會議上做馮·卡門大會報告，2005年同其他六位來自美國和俄羅斯的學者共同獲得美國科學促進會的國際科學合作獎項。Alfriend在弗吉尼亞理工大學機械工程獲學士與博士學位，在斯坦福大學應用力學專業獲碩士學位，其主要研究方向包括空間監測、天體動力學、衛星姿態動力學與控制以及航天器設計等。

第1章緒論
1.1 航天器編隊飛行的概念
1.2 協同方法
1.2.1 軌道跟蹤方法
1.2.2 領航跟隨法
1.2.3 虛擬結構法
1.2.4 蜂擁控制方法
1.3 燃料消耗因素
1.3.1 任務需求
1.3.2 初始條件
1.3.3 導航不確定性
1.3.4 大氣阻力
1.3.5 推力誤差
1.3.6 動態過程噪聲第1章緒論

1.1 航天器編隊飛行的概念

1.2 協同方法

1.2.1 軌道跟蹤方法

1.2.2 領航跟隨法

1.2.3 虛擬結構法

1.2.4 蜂擁控制方法

1.3 燃料消耗因素

1.3.1 任務需求

1.3.2 初始條件

1.3.3 導航不確定性

1.3.4 大氣阻力

1.3.5 推力誤差

1.3.6 動態過程噪聲

1.4 編隊飛行控制

1.5 控制方法綜述

1.5.1 狀態轉移逆矩陣

1.5.2 脈衝控制

1.5.3 連續線性控制

1.5.4 非線性控制

1.5.5 模型預測控制

1.6 空間導航與全球定位繫統

1.7 編隊飛行任務

第2章航天器軌道動力學基礎

2.1 坐標繫

2.2 開普勒二體問題

2.3 慣性運動方程的求解

2.4 非奇異軌道要素

2.5 非開普勒運動與軌道攝動

2.5.1 常數變易法

2.5.2 拉格朗日行星方程

2.5.3 帶諧函數

2.5.4 高斯變分方程

2.6 均值理論

本章小結

第3章分析力學、優化、控制和估計基礎

3.1 拉格朗日和哈密頓力學

3.2 德洛內根數

3.3 正則變換

3.4 布勞威爾理論

3.4.1 瞬時軌道根數到平均軌道根數的迭代算法

3.5 約束靜態優化

3.6 控制李雅普諾夫函數

3.7 線性二次調解

3.8 卡爾曼濾波

3.9 無跡卡爾曼濾波

3.9.1 標準UKF濾波方法

3.9.2 UKF方法的加式形式

3.9.3 平方根形式的UKF算法

本章小結

第4章非線性相對動力學模型

4.1 非攝動情況下的相對運動方程

4.2 能量匹配條件

4.3 脈衝式編隊保持

4.4 編隊保持的另一種觀點

4.5 主星圓形軌道

4.6 拉格朗日函數與哈密頓函數

4.7 考慮J2攝動的相對運動方程

4.7.1 ＆繫下的相對運動狀態

4.7.2 ＆繫和＆繫之間的坐標繫轉換

4.7.3 初始條件

本章小結

第5章線性化相對運動方程

5.1 CW方程

5.2 線性雙脈衝交會

5.3 拉格朗日函數和哈密頓函數形式的CW方程

5.4 二階非線性下的軌道運動

5.5 曲線坐標繫與笛卡兒相對坐標繫

5.6 橢圓參考軌道

5.6.1 以時間作為獨立變量：麥爾登狀態轉移矩陣

5.6.2 勞頓方程和喬納-亨佩爾方程

5.6.3 卡特狀態轉移矩陣

5.6.4 山申-安克森狀態轉移矩陣

5.6.5 布魯克狀態轉移矩陣

5.6.6 李-科克倫-喬狀態轉移矩陣

5.6.7 納扎倫科狀態轉移矩陣

5.6.8 長期漂移項消除的初始條件選取方法

5.7 相對運動方程的周期解

本章小結

第6章基於軌道根數的相對運動模型

6.1 非線性相對運動方程的一般解

6.2 相對距離的與小界限

6.2.1 軌道角速度不相等的情況

6.2.2 軌道角速度相等的情況

6.3 圓形-赤道參考軌道時的相對運動近似表達式

6.3.1 高階時域展開式的近似表達式

6.3.2 二階近似

6.3.3 一階近似解：希爾解

6.4 投影圓軌道初始約束條件

6.5 無攝動圓軌道下具有非線性補償的混合微分方程

本章小結

第7章基於軌道根數的攝動相對運動模型

7.1 單位球法

7.2 相對運數描述

7.3 吉姆-阿爾弗蘭德幾何方法

7.3.1 重新考察人攝動項的影響

7.3.2 幾何法

7.4 平均相對運動

7.5 圓形參考軌道J2微分方程的線性化

7.5.1 模型的建立

7.5.2 短周期項的影響

7.5.3 線性模型

7.6 吉姆-阿爾弗蘭德狀態轉移矩陣對應的微分方程組

7.7 二階狀態遞推模型

本章小結

第8章攝動抑制

8.1 減小J2攝動的動態約束

8.1.1 三個約束條件

8.1.2 兩個約束條件

8.1.3 一個約束條件

8.1.4 能量方面的考慮

8.1.5 數學仿真結果

8.2 一種基於軌道根數的非線性理論

8.3 動態模型誤差影響比較

8.4 近圓軌道編隊基本擾動頻率

8.4.1 軌道平面和軌道法向頻率

8.5 近圓軌道PCO初始條件的選擇

8.6 軌道平面和軌道法向的基本頻率匹配

8.6.1 幅值

8.7 基於改進CW方程的PCO編隊保持

8.7.1 徑向沒有推力器的編隊保持

8.8 燃料省和燃料平衡

本章小結

第9章轉動平移耦合影響

9.1 相對運動動力學

9.2 耦合相對運動模型

本章小結

第10章編隊控制

10.1 連續控制

10.1.1 CLF方法

10.1.2 基於平均軌道要素的LQR控制

10.2 離散時間的LQR控制

10.2.1 數值解

10.3 基於高斯變分方程的脈衝控制

10.3.1 編隊建立

10.4 圓軌道雙脈衝編隊重構

10.5 單個軌道周期的雙脈衝編隊保持

10.5.1 圓軌道的解析解

10.5.2 燃料平衡中0的確定

10.5.3 平面內的衝量需求

本章小結

第11章 Ay指令的執行

11.1 任務規劃

11.1.1 利用加速度計改善A0的實現

11.1.2 離散繫統舉例

11.2 對自主交會對接的影響

11.2.1 影響編隊重構的因素

本章小結

第12章相對測量與導航

12.1 動力學建模

12.2 測量更新：載波相位差分GPS

12.3 EKF與UKF相對導航方法的比較

12.3.1 基線不變，時間步長增大時的比較

12.3.2 基線增長時的比較

12.3.3 FreeFlyer TM 和GSFC仿真的比較

12.3.4 後一例

本章小結

第13章高精度編隊飛行仿真

13.1 仿真控制器結構

13.1.1 參數檢查

13.2 仿真結果

本章小結

第14章總結和展望

14.1 降低風險

14.2 燃料需求

14.3 任務執行

附錄A 變換矩陣∑(T)

附錄B 變換矩陣∑(T)-1

附錄C 矩陣B(T)-

附錄D 相對平均軌道根數的狀態轉移矩陣

附錄E 從平根數到密切軌道根數的變換

附錄F 平根數到密切軌道根數的雅可比行列式

附錄G 小偏心率理論

附錄H 揚一阿爾弗蘭德非線性理論繫數

參考文獻

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