目錄

第1章緒論1

1.1國外空間遙感衛星發展現狀1

1.2航天器姿態確定技術發展現狀6

1.2.1模型及參數不確定性問題7

1.2.2姿態控制測量不確定性問題11

1.2.3航天器姿態敏感器簡介13

1.3航天器姿態控制技術發展現狀14

1.3.1被動姿態控制14

1.3.2主動姿態控制16

1.4復雜航天器姿態特點與控制難點17

1.4.1國內外典型含柔性附件航天器簡介17

1.4.2柔性航天器控制技術發展19

1.4.3光學遙感衛星成像控制研究22

1.4.4高精度遙感衛星姿態控制難點27

1.4.5大型桁架結構航天器姿態控制熱點28

1.5本章小結29

參考文獻30
第2章姿態運動學和動力學38

2.1引言38

2.2常用的坐標繫38

2.2.1慣性坐標繫38

2.2.2地心J2000慣性坐標繫OiXiYiZi38

2.2.3軌道坐標繫OoXoYoZo39

2.2.4航天器本體坐標繫ObXbYbZb40

2.2.5WGS84坐標繫OeXeYeZe40

2.2.6相機坐標繫OsXsYsZs40

2.2.7像面坐標繫OcXcYcZc40

2.3航天器姿態描述方法41

2.3.1坐標繫空間轉換與方向餘弦陣41

2.3.2歐拉定理和數44

2.3.3矢量運數運算46

2.4航天器姿態運動學方程49

2.4.1方向餘弦陣運動學方程49

2.4.2歐拉角運動學方程49

2.4數運動學方程52

2.5航天器姿態動力學基礎方程53

2.5.1動量矩定理53

2.5.2單剛體航天器的姿態動力學方程54

2.6復雜航天器繫統耦合動力學方程55

2.6.1帆板驅動電機動力學模型55

2.6.2繫統耦合動力學模型56

2.6.3繫統耦合振動頻率和阻尼比分析58

2.7空間環境干擾力矩59

2.7.1引力梯度力矩59

2.7.2氣動力矩60

2.7.3太陽光壓力矩61

2.7.4地磁力矩63

2.8本章小結63

參考文獻64
第3章航天器姿態測量與高精度確定算法65

3.1引言65

3.2空間姿態測量原理65

3.2.1經典Wahba問題65

3.2.2雙矢量定姿TRIAD法66

3.2.3慣性姿態測量和計算67

3.3常用姿態敏感器及其數學模型68

3.3.1星敏感器68

3.3.2陀螺73

3.3.3太陽敏感器79

3.3.4磁流體角位移傳感器84

3.4傳統姿態確定方法86

3.4.1參考矢量法86

3.4.2慣性測量法88

3.4.3統計估計法88

3.5卡爾曼濾波在航天器姿態確定中的應用89

3.5.1卡爾曼濾波技術簡述89

3.5.2EKF在航天器姿態確定中的應用90

3.6快速姿態機動航天器姿態確定方法97

3.6.1基於魯棒擴展卡爾曼濾波的姿態確定算法研究97

3.6.2基於強跟蹤濾波的姿態確定算法研究102

3.7基於磁流體角位移傳感器的寬頻姿態確定106

3.7.1航天器在軌振動情況107

3.7.2寬頻測量敏感器特性109

3.7.3寬頻姿態角信息融合方法110

3.8航天器姿態測量及指向基準在軌辨識114

3.8.1安裝誤差相關定義114

3.8.2星敏感器間安裝誤差估計115

3.8.3星敏感器與載荷間安裝誤差估計117

3.9本章小結118

參考文獻119
第4章敏捷航天器姿態控制與角動量管理120

4.1引言120

4.2繞空間歐拉軸的任意角度姿態機動策略121

4.2.1空間歐拉軸的確定121

4.2.2空間任意角度姿態機動策略122

4.3基於路徑規劃的姿態敏捷機動控制123

4.3.1時間最優姿態機動路徑規劃123

4.3.2準時間最優姿態機動路徑規劃124

4.3.3平緩加減速姿態機動路徑規劃126

4.3.4姿態機動路徑跟蹤控制127

4.3.5仿真算例127

4.4遞階飽和姿態敏捷機動控制134

4.4.1遞階飽和算法基本原理135

4.4.2固定偏差角上限遞階飽和控制器設計136

4.4.3變偏差角上限遞階飽和控制器設計137

4.4.4仿真算例138

4.5控制力矩陀螺群及其操縱律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動力學模型140

4.5.3控制力矩陀螺群奇異回避操縱律141

4.5.4控制力矩陀螺群奇異逃離操縱律143

4.6執行機構角動量管理145

4.6.1磁力矩器工作原理145

4.6.2磁卸載控制145

4.7本章小結146

參考文獻147
第5章柔性航天器姿態控制繫統148

5.1引言148

5.2柔性航天器的姿態動力學建模149

5.2.1彈性變形運動的數學描述149

5.2.2變形體的離散化方法150

5.2.3柔性航天器動力學的基本力學原理150

5.2.4建立柔性航天器的姿態動力學模型151

5.3柔性振動抑制方法概述156

5.3.1柔性機構的被動振動控制157

5.3.2柔性機構的主動振動控制158

5.3.3柔性機構的主動、被動一體化振動控制159

5.3.4結構主動振動控制作動器159

5.3.5振動主動控制器設計163

5.3.6成型器設計165

5.4柔性航天器姿態機動控制方法簡介173

5.4.1古典控制方法173

5.4.2現代控制方法173

5.4.3柔性航天器姿態PD控制175

5.4.4柔性航天器姿態變結構控制177

5.4.5仿真算例183

5.5考慮模型不確定性的動態滑模姿態控制185

5.5.1基於動態滑模的姿態鎮定控制律185

5.5.2數值仿真與結果分析188

5.6本章小結192

參考文獻193
第6章基於路徑規劃和變繫數PD的航天器快速姿態控制194

6.1引言194

6.2姿態機動路徑規劃原理194

6.2.1三角形角速度姿態機動路徑194

6.2.2梯形角速度姿態機動路徑196

6.2.3二次多項式角速度姿態機動路徑197

6.2.4三次多項式角速度姿態機動路徑199

6.2.5正弦角加速度姿態機動路徑200

6.2.6仿真與驗證201

6.3變繫數PD快速穩定姿態控制器設計204

6.3.1基於指數形式的變繫數PD控制器設計205

6.3.2基於冪次形式的變繫數PD控制器設計206

6.4數學仿真驗證結果與分析207

6.4.1標稱轉動慣量的情況209

6.4.2轉動慣量存在偏差的情況212

6.5在軌試驗驗證結果與分析216

6.6本章小結216

參考文獻219
第7章基於輸入成型的柔性航天器控制220

7.1引言220

7.2輸入成型器抑振的基本原理及其設計220

7.3典型輸入成型器的魯棒性分析223

7.3.1ZV成型器的魯棒性分析223

7.3.2ZVD成型器的魯棒性分析223

7.3.3魯棒性分析小結224

7.4輸入成型應用於大柔性結構航天器的三軸姿態機動控制驗證225

7.4.1多模ZV輸入成型器設計225

7.4.2輸入成型器調制後的導引姿態路徑226

7.4.3姿態機動控制仿真結果與分析227

7.5輸入成型應用於柔性帆板驅動過程中的振動抑制驗證229

7.5.1地面驗證試驗繫統組成229

7.5.2地面驗證試驗內容230

7.5.3試驗結果與分析231

7.6本章小結234

參考文獻236
第8章奇異攝動理論在高精度柔性航天器姿態控制繫統中的應用237

8.1引言237

8.2奇異攝動理論簡介237

8.2.1奇異攝動理論的提出237

8.2.2標準奇異攝動模型237

8.2.3奇異攝動理論的發展與應用238

8.3基於奇異攝動理論的柔性航天器姿態控制繫統設計239

8.3.1柔性航天器的奇異攝動分解239

8.3.2基於PID和LQR的復合控制器設計241

8.3.3基於滑模變結構控制和LQR的復合控制器設計243

8.4仿真算例247

8.5本章小結253

參考文獻254
第9章航天器快速機動的先進控制方法255

9.1引言255

9.2快速姿態機動路徑規劃255

9.2.1姿態機動路徑規劃簡介255

9.2.2拋物線形加速度曲線機動路徑設計思路256

9.3快速機動的傳統非線性控制257

9.3.1基於Lyapunov函數的非線性控制258

9.3.2變結構姿態控制I261

9.3.3變結構姿態機動控制Ⅱ264

9.3.4自抗擾姿態機動控制264

9.4快速機動的智能控制268

9.4.1模糊控制268

9.4.2神經網絡控制271

9.4.3自適應模糊神經網絡控制277

9.5本章小結281

參考文獻282
第10章不確定性航天器模型的快速姿態跟蹤與控制283

10.1引言283

10.1.1不確定性航天器模型的快速姿態控制問題283

10.1.2轉動慣量不確定性的控制問題283

10.1.3測量不確定性的狀態觀測與控制問題284

10.2基本假設與相關引理285

10.2.1有限時間穩定定義與引理285

10.2.2預設性能控制定義與引理285

10.2.3柔性自適應控制基本假設與引理286

10.3基於有限時間的自適應姿態跟蹤控制律287

10.4基於預設性能的狀態約束有限時間跟蹤控制292

10.5不確定性模型快速跟蹤控制數值仿真分析293

10.6基於反步法的自適應魯棒控制律296

10.7轉動慣量不確定性模型自適應數值仿真分析299

10.8基於狀態反饋的無角速度信息姿態控制律303

10.9基於觀測器的無角速度信息姿態控制律307

10.10測量不確定性姿態控制數值仿真分析310

10.11本章小結314

參考文獻316
第11章航天器變參數控制器設計方法317

11.1引言317

11.2線性變參數繫統建模318

11.2.1線性變參數繫統理論基礎318

11.2.2線性變參數繫統建模方法320

11.2.3基於HOSVD的LPV繫統多胞分解322

11.2.4模型降階323

11.3線性變參數繫統穩定性分析330

11.3.1線性矩陣不等式330

11.3.2線性變參數繫統的穩定性332

11.3.3線性變參數繫統的性能指標333

11.4線性變參數控制繫統設計334

11.4.1變參數魯棒變增益控制方法334

11.4.2輸入受限LPV繫統魯棒變增益控制341

11.5仿真算例346

11.6本章小結354

參考文獻355
第12章光學遙感航天器像移補償與在軌自主路徑規劃356

12.1引言356

12.2典型的光學遙感成像模式356

12.3TDICCD成像原理及像移補償原理357

12.3.1TDICCD相機的工作原理358

12.3.2TDI相機的像移速度矢量模型358

12.3.3TDI相機的像移補償方法362

12.3.4像移補償對姿態控制的要求363

12.4航天器在軌自主成像姿態路徑規劃365

12.4.1航天器指向目標的導引姿態計算365

12.4.2航天器飛抵目標時的升交點幅角及垂直角距計算367

12.4.3線陣相機側擺時的地面幅寬角計算368

12.4.4地表區域目標的條帶劃分算法369

12.4.5確定TDI相機在哪軌對目標成像371

12.4.6多條帶拼接的姿態路徑規劃方法372

12.4.7折線掃描的姿態路徑規劃方法373

12.5路徑規劃與控制仿真驗證374

12.6本章小結377

參考文獻378