第1章航天器概論

1.1航天器的基本概念及其發展歷程

1.2航天器的分類及其基本組成

1.3航天器控制概述

1.4典型航天器介紹

1.4.1衛星導航繫統

1.4.2月球探測器

1.4.3行星際探測器

1.4.4載人航天器

第2章航天器數學模型

2.1空間坐標繫繫統

2.1.1研究軌道運動的常用坐標繫

2.1.2研究姿態運動的常用坐標繫

2.1.3描述相對運動的坐標繫

2.2航天器的軌道運動學和動力學

2.2.1軌道基本定律

2.2.2軌道力學和運動方程

2.2.3軌道幾何特性

2.2.4軌道描述

2.2.5軌道攝動

2.3航天器的姿態運動學和動力學

2.3.1空間姿態變換

2.3.2姿態運動學和動力學

2.4空間環境干擾力矩分析

2.4.1氣動力矩

2.4.2重力梯度力矩

2.4.3磁干擾力矩

2.4.4輻射力矩

第3章航天器控制繫統結構

3.1繫統組成與結構

3.2測量敏感器

3.2.1紅外地球敏感器

3.2.2太陽敏感器

3.2.3星敏感器

3.2.4磁強計

3.2.5GPS

3.2.6陀螺

3.2.7加速度計

3.3執行機構

3.3.1噴氣推進執行機構

3.3.2飛輪

3.3.3磁力矩器及其他執行機構

3.3.4執行機構小結

3.4星載計算機

3.4.1研究背景

3.4.2基本概念、原理和方法

3.4.3關鍵技術研究

3.4.4存在問題及應用前景

第4章航天器軌道

4.1航天器軌道確定

4.1.1初始軌道的設計

4.1.2軌道改進

4.1.3觀測數據的預處理和精度分析

4.2航天器軌道控制概念

4.2.1火箭推進定律

4.2.2軌道控制方法

4.2.3軌道測量繫統

4.2.4控制器

4.2.5推進分繫統

4.3航天器軌道機動

4.3.1軌道機動的概念和分類

4.3.2推力及運動模型

4.4航天器軌道保持

4.4.1軌道保持的概念

4.4.2地球靜止衛星的軌道保持

4.4.3太陽同步軌道衛星的軌道保持

4.4.4靜止軌道多星共位位置保持

第5章航天器姿態控制

5.1航天器姿態確定

5.1.1姿態敏感器

5.1.2姿態確定的作用及意義

5.1.3航天器姿態確定算法

5.2航天器被動姿態控制

5.2.1自旋衛星的穩定性和章動性

5.2.2雙自旋衛星穩定繫統

5.2.3重力梯度穩定繫統

5.2.4其他被動姿態穩定繫統

5.3航天器主動姿態控制

5.3.1噴氣推力姿態穩定原理

5.3.2航天器的噴氣推力器繫統

5.3.3飛輪姿態穩定原理

5.3.4零動量反作用輪三軸姿態穩定繫統

5.3.5偏置動量輪三軸姿態穩定繫統

5.4航天器姿態機動

5.4.1自旋穩定衛星的噴氣姿態機動

5.4.2自旋穩定衛星磁線圈姿態機動

5.4.3航天器的姿態捕獲

第6章航天器控制仿真

6.1航天器控制仿真基本原理

6.1.1航天器仿真技術分類

6.1.2國內外研究現狀

6.2航天器控制計算機仿真

6.2.1繫統功能設計

6.2.2繫統結構設計

6.2.3數據庫設計

6.3航天器控制計算機仿真案例

6.3.1動力學模塊

6.3.2敏感器模塊

6.3.3執行機構模塊

6.3.4模型驗證實例

6.4航天器控制物理仿真

第7章航天器控制繫統設計與應用

7.1衛星控制繫統設計

7.1.1衛星控制繫統概述

7.1.2衛星姿態控制

7.1.3衛星軌道控制

7.2空間機器人控制繫統設計及其撓性控制

7.2.1空間機器人概述

7.2.2空間機器人運動學與動力學

7.2.3空間機器人撓性控制

7.3載人飛船控制繫統設計及再入返回控制

7.3.1航天器自主規劃模型

7.3.2載人飛船飛行程序自主規劃繫統

7.3.3載人飛船的再入返回

7.4航天飛機控制繫統設計及其再入著陸控制

7.4.1航天飛機概述

7.4.2航天飛機控制繫統設計

7.4.3航天飛機再入著陸控制

7.5空間站控制繫統設計及其交會對接控制

7.5.1空間站概述

7.5.2空間站發展歷史

7.5.3空間站控制技術

7.5.4空間交會對接技術

參考文獻

隨著科技的發展，航天領域正在發生著巨大變化。航天器已經由過去單一的地球軌道衛星，逐步發展出各種類型，如宇宙飛船、空間站、空間機器人等。特別是近十年來，隨著信息技術的迅猛發展，航天領域得到了巨大拓展。航天器正在為人類了解地球、探索太空發揮著巨大作用；航天器正在為人類社會發展提供著巨大支撐，為人類更好地生產生活提供著大量服務與保障。可以說，如果沒有航天器人們今天的生活不會這麼便利，沒有航天器人們就不會創造出今天的巨大財富。

目前，由於航天任務越來越復雜，航天器也隨之越來越復雜，功能越來越豐富，性能越來越高。航天器已經由單純實現繞地飛行，實現天地通信等功能，逐步向新的更復雜的任務方向發展。例如，圍繞其他天體飛行（如月球、火星、太陽、小行星等），並實施探測；建立空間站，使人類可以長期駐留太空進行科學實驗；在其他天體表面駐留（如月球、火星等），並開展探測等。這一切推動了航天器控制技術在理論、方法和應用上的進展。航天器控制技術已成為當前科技領域發展的重要方向之一，國內許多高等院校和科研院所都在開展這一領域的研究。因此，對從事航天器控制領域研究與開發的人纔需求與日俱增，關於航天器控制技術的教學也越來越引起人們的重視。

本書針對航天器控制領域人纔培養需求，充分考慮航天器控制技術發展的特點，全面介紹了航天器的基本概念及其發展歷程，航天器控制的主要基礎理論與方法，包括航天器的數學模型、控制繫統結構、姿態控制方法、軌道控制方法、控制仿真技術等。同時，根據航天器的不同類型，全面介紹了航天器控制的工程應用，具體包括衛星控制繫統及其控制、空間機器人控制繫統設計及其撓性控制、載人飛船控制繫統設計及其再入返回控制、航天飛機控制繫統設計及其再入著陸控制和空間站控制繫統設計及其交會對接控制。通過上述內容，使讀者對航天器控制領域的內容有全面的了解，打下良好的工程基礎。

全書共有8章。第1章是航天器概論，主要介紹航天器的基本概念及其發展歷程、分類及其基本組成、航天器控制概念以及典型航天器。第2章介紹航天器數學模型，包括空間坐標繫繫統、航天器的軌道運動學和動力學、航天器的姿態運動學和動力學以及空間環境干擾力矩分析。第3章介紹航天器控制繫統結構，包括繫統組成與結構、測量敏感器、執行機構和航天器控制計算機。第4章介紹航天器軌道控制技術，包括航天器軌道確定、軌道控制、軌道機動以及軌道保持。第5章介紹航天器姿態控制技術，包括航天器姿態確定、被動姿態控制、主動姿態穩定控制以及姿態機動。第6章介紹航天器控制仿真技術，包括航天器控制仿真基本原理、計算機仿真、計算機仿真案例以及物理仿真。第7章介紹航天器控制繫統設計與應用，包括衛星控制繫統及其控制、空間機器人控制繫統設計及其撓性控制、載人飛船控制繫統設計及其再入返回控制、航天飛機控制繫統設計及其再入著陸控制和空間站控制繫統設計及其交會對接控制。第8章是結束語。

張濤教授編寫了第1、2、3、4、7、8章，王學謙教授編寫了第6章，劉宜成副教授編寫了第5章。另外，還要感謝翟坤博士、孟強博士、陳章博士、徐利民博士、陶佳偉博士、牟方厲博士等對本書的編寫作出的貢獻。

本書配套的還有授課使用的電子教案，可供讀者學習或教師教學使用。

感謝清華大學出版社的趙凱老師對本書的熱情支持和認真審校。

由於航天器控制技術發展很快，盡管作者盡力在本書中包含了許多新的內容，但仍然會遺漏許多新的思想、方法和不斷湧現的繫統。由於作者水平有限，書中不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。

作者

2020年於1月北京清華園