航天器编队飞行动力学控制与导航
第1章 绪论
1.1 航天器编队飞行的概念
1.2 协同方法
1.2.1 轨道跟踪方法
1.2.2 领航跟随法
1.2.3 虚拟结构法
1.2.4 蜂拥控制方法
1.3 燃料消耗因素
1.3.1 任务需求
1.3.2 初始条件
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1.1 航天器编队飞行的概念
1.2 协同方法
1.2.1 轨道跟踪方法
1.2.2 领航跟随法
1.2.3 虚拟结构法
1.2.4 蜂拥控制方法
1.3 燃料消耗因素
1.3.1 任务需求
1.3.2 初始条件
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Kyte T．A1friend博士，现任得克萨斯农工大学航空航天工程系工程试验站特聘研究讲座教授(曾于1997年至2000年期间担任该部门主管)，美国海军研究生院客座教授，美国国家工程院院士，美国天文学会和美国航空航天学会会士，国际宇航科学院院士，美国空军大学监事会成员。曾获美国天文学会德克·布劳尔奖和美国航空航天学会飞行力学与控制奖，受邀在2008以色列宇航科学会议上做冯·卡门大会报告，2005年同其他六位来自美国和俄罗斯的学者共同获得美国科学促进会的国际科学合作奖项。Alfriend在弗吉尼亚理工大学机械工程获学士与博士学位，在斯坦福大学应用力学专业获硕士学位，其主要研究方向包括空间监测、天体动力学、卫星姿态动力学与控制以及航天器设计等。
《航天器编队飞行--动力学控制与导航》作者阿尔弗林德教授是航天器编队技术领域的权威学者，他们充分发挥在本领域研究的领先优势，总结已有研究成果，完成了这本权威性论著。全书针对近地轨道航天器编队，详细介绍考虑航天器姿态和轨道相对运动的编队动力学建模、控制和导航等相关内容。在航天器相对运动动力学模型部分，给出了几种常用的摄动和非摄动相对运动非线性模型、二体假设下的相对运动线性微分方程以及基于轨道根数的相对运动模型，介绍了降低摄动影响的方法，并分析了转动和平动耦合情况下的相对运动模型。在航天器编队控制部分，讨论了编队建立、队形保持和队形重构过程中的连续和脉冲控制方法，介绍了加速度施加误差对控制性能的影响，探讨了引入加速度计测量提升系统性能的可行方法。在相对导航部分，讨论了不同滤波算法在相对轨道确定问题中的应用。
本书可作为高校航空航天专业高年级本科生和研究生的教材，也可供相关领域的…
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第1章 绪论
1.1 航天器编队飞行的概念
1.2 协同方法
1.2.1 轨道跟踪方法
1.2.2 领航跟随法
1.2.3 虚拟结构法
1.2.4 蜂拥控制方法
1.3 燃料消耗因素
1.3.1 任务需求
1.3.2 初始条件
1.3.3 导航不确定性
1.3.4 大气阻力
1.3.5 推力误差
1.3.6 动态过程噪声
1.4 编队飞行控制
1.5 控制方法综述
1.5.1 状态转移逆矩阵
1.5.2 脉冲控制
1.5.3 连续线性控制
1.5.4 非线性控制
1.5.5 模型预测控制
1.6 空间导航与全球定位系统
1.7 编队飞行任务
第2章 航天器轨道动力学基础
2.1 坐标系
2.2 开普勒二体问题
2.3 惯性运动方程的求解
2.4 非奇异轨道要素
2.5 非开普勒运动与轨道摄动
2.5.1 常数变易法
2.5.2 拉格朗日行星方程
2.5.3 带谐函数
2.5.4 高斯变分方程
2.6 均值理论
本章小结
第3章 分析力学、优化、控制和估计基础
3.1 拉格朗日和哈密顿力学
3.2 德洛内根数
3.3 正则变换
3.4 布劳威尔理论
3.4.1 瞬时轨道根数到平均轨道根数的迭代算法
3.5 约束静态优化
3.6 控制李雅普诺夫函数
3.7 线性二次调解
3.8 卡尔曼滤波
3.9 无迹卡尔曼滤波
3.9.1 标准UKF滤波方法
3.9.2 UKF方法的加式形式
3.9.3 平方根形式的UKF算法
本章小结
第4章 非线性相对动力学模型
4.1 非摄动情况下的相对运动方程
4.2 能量匹配条件
4.3 脉冲式编队保持
4.4 编队保持的另一种观点
4.5 主星圆形轨道
4.6 拉格朗日函数与哈密顿函数
4.7 考虑J2摄动的相对运动方程
4.7.1 ＆系下的相对运动状态
4.7.2 ＆系和＆系之间的坐标系转换
4.7.3 初始条件
本章小结
第5章 线性化相对运动方程
5.1 CW方程
5.2 线性双脉冲交会
5.3 拉格朗日函数和哈密顿函数形式的CW方程
5.4 二阶非线性下的轨道运动
5.5 曲线坐标系与笛卡儿相对坐标系
5.6 椭圆参考轨道
5.6.1 以时间作为独立变量：麦尔登状态转移矩阵
5.6.2 劳顿方程和乔纳-亨佩尔方程
5.6.3 卡特状态转移矩阵
5.6.4 山申-安克森状态转移矩阵
5.6.5 布鲁克状态转移矩阵
5.6.6 李-科克伦-乔状态转移矩阵
5.6.7 纳扎伦科状态转移矩阵
5.6.8 长期漂移项消除的初始条件选取方法
5.7 相对运动方程的周期解
本章小结
第6章 基于轨道根数的相对运动模型
6.1 非线性相对运动方程的一般解
6.2 相对距离的与小界限
6.2.1 轨道角速度不相等的情况
6.2.2 轨道角速度相等的情况
6.3 圆形-赤道参考轨道时的相对运动近似表达式
6.3.1 高阶时域展开式的近似表达式
6.3.2 二阶近似
6.3.3 一阶近似解：希尔解
6.4 投影圆轨道初始约束条件
6.5 无摄动圆轨道下具有非线性补偿的混合微分方程
本章小结
第7章 基于轨道根数的摄动相对运动模型
7.1 单位球法
7.2 相对运动的四元数描述
7.3 吉姆-阿尔弗兰德几何方法
7.3.1 重新考察人摄动项的影响
7.3.2 几何法
7.4 平均相对运动
7.5 圆形参考轨道J2微分方程的线性化
7.5.1 模型的建立
7.5.2 短周期项的影响
7.5.3 线性模型
7.6 吉姆-阿尔弗兰德状态转移矩阵对应的微分方程组
7.7 二阶状态递推模型
本章小结
第8章 摄动抑制
8.1 减小J2摄动的动态约束
8.1.1 三个约束条件
8.1.2 两个约束条件
8.1.3 一个约束条件
8.1.4 能量方面的考虑
8.1.5 数学仿真结果
8.2 一种基于轨道根数的非线性理论
8.3 动态模型误差影响比较
8.4 近圆轨道编队基本扰动频率
8.4.1 轨道平面和轨道法向频率
8.5 近圆轨道PCO初始条件的选择
8.6 轨道平面和轨道法向的基本频率匹配
8.6.1 幅值
8.7 基于改进CW方程的PCO编队保持
8.7.1 径向没有推力器的编队保持
8.8 燃料省和燃料平衡
本章小结
第9章 转动平移耦合影响
9.1 相对运动动力学
9.2 耦合相对运动模型
本章小结
第10章 编队控制
10.1 连续控制
10.1.1 CLF方法
10.1.2 基于平均轨道要素的LQR控制
10.2 离散时间的LQR控制
10.2.1 数值解
10.3 基于高斯变分方程的脉冲控制
10.3.1 编队建立
10.4 圆轨道双脉冲编队重构
10.5 单个轨道周期的双脉冲编队保持
10.5.1 圆轨道的解析解
10.5.2 燃料平衡中0的确定
10.5.3 平面内的冲量需求
本章小结
第11章 Ay指令的执行
11.1 任务规划
11.1.1 利用加速度计改善A0的实现
11.1.2 离散系统举例
11.2 对自主交会对接的影响
11.2.1 影响编队重构的因素
本章小结
第12章 相对测量与导航
12.1 动力学建模
12.2 测量更新：载波相位差分GPS
12.3 EKF与UKF相对导航方法的比较
12.3.1 基线不变，时间步长增大时的比较
12.3.2 基线增长时的比较
12.3.3 FreeFlyer TM 和GSFC仿真的比较
12.3.4 后一例
本章小结
第13章 高精度编队飞行仿真
13.1 仿真控制器结构
13.1.1 参数检查
13.2 仿真结果
本章小结
第14章 总结和展望
14.1 降低风险
14.2 燃料需求
14.3 任务执行
附录A 变换矩阵∑(T)
附录B 变换矩阵∑(T)-1
附录C 矩阵B(T)-
附录D 相对平均轨道根数的状态转移矩阵
附录E 从平根数到密切轨道根数的变换
附录F 平根数到密切轨道根数的雅可比行列式
附录G 小偏心率理论
附录H 扬一阿尔弗兰德非线性理论系数
参考文献
术语表
^ 收 起
1.1 航天器编队飞行的概念
1.2 协同方法
1.2.1 轨道跟踪方法
1.2.2 领航跟随法
1.2.3 虚拟结构法
1.2.4 蜂拥控制方法
1.3 燃料消耗因素
1.3.1 任务需求
1.3.2 初始条件
1.3.3 导航不确定性
1.3.4 大气阻力
1.3.5 推力误差
1.3.6 动态过程噪声
1.4 编队飞行控制
1.5 控制方法综述
1.5.1 状态转移逆矩阵
1.5.2 脉冲控制
1.5.3 连续线性控制
1.5.4 非线性控制
1.5.5 模型预测控制
1.6 空间导航与全球定位系统
1.7 编队飞行任务
第2章 航天器轨道动力学基础
2.1 坐标系
2.2 开普勒二体问题
2.3 惯性运动方程的求解
2.4 非奇异轨道要素
2.5 非开普勒运动与轨道摄动
2.5.1 常数变易法
2.5.2 拉格朗日行星方程
2.5.3 带谐函数
2.5.4 高斯变分方程
2.6 均值理论
本章小结
第3章 分析力学、优化、控制和估计基础
3.1 拉格朗日和哈密顿力学
3.2 德洛内根数
3.3 正则变换
3.4 布劳威尔理论
3.4.1 瞬时轨道根数到平均轨道根数的迭代算法
3.5 约束静态优化
3.6 控制李雅普诺夫函数
3.7 线性二次调解
3.8 卡尔曼滤波
3.9 无迹卡尔曼滤波
3.9.1 标准UKF滤波方法
3.9.2 UKF方法的加式形式
3.9.3 平方根形式的UKF算法
本章小结
第4章 非线性相对动力学模型
4.1 非摄动情况下的相对运动方程
4.2 能量匹配条件
4.3 脉冲式编队保持
4.4 编队保持的另一种观点
4.5 主星圆形轨道
4.6 拉格朗日函数与哈密顿函数
4.7 考虑J2摄动的相对运动方程
4.7.1 ＆系下的相对运动状态
4.7.2 ＆系和＆系之间的坐标系转换
4.7.3 初始条件
本章小结
第5章 线性化相对运动方程
5.1 CW方程
5.2 线性双脉冲交会
5.3 拉格朗日函数和哈密顿函数形式的CW方程
5.4 二阶非线性下的轨道运动
5.5 曲线坐标系与笛卡儿相对坐标系
5.6 椭圆参考轨道
5.6.1 以时间作为独立变量：麦尔登状态转移矩阵
5.6.2 劳顿方程和乔纳-亨佩尔方程
5.6.3 卡特状态转移矩阵
5.6.4 山申-安克森状态转移矩阵
5.6.5 布鲁克状态转移矩阵
5.6.6 李-科克伦-乔状态转移矩阵
5.6.7 纳扎伦科状态转移矩阵
5.6.8 长期漂移项消除的初始条件选取方法
5.7 相对运动方程的周期解
本章小结
第6章 基于轨道根数的相对运动模型
6.1 非线性相对运动方程的一般解
6.2 相对距离的与小界限
6.2.1 轨道角速度不相等的情况
6.2.2 轨道角速度相等的情况
6.3 圆形-赤道参考轨道时的相对运动近似表达式
6.3.1 高阶时域展开式的近似表达式
6.3.2 二阶近似
6.3.3 一阶近似解：希尔解
6.4 投影圆轨道初始约束条件
6.5 无摄动圆轨道下具有非线性补偿的混合微分方程
本章小结
第7章 基于轨道根数的摄动相对运动模型
7.1 单位球法
7.2 相对运动的四元数描述
7.3 吉姆-阿尔弗兰德几何方法
7.3.1 重新考察人摄动项的影响
7.3.2 几何法
7.4 平均相对运动
7.5 圆形参考轨道J2微分方程的线性化
7.5.1 模型的建立
7.5.2 短周期项的影响
7.5.3 线性模型
7.6 吉姆-阿尔弗兰德状态转移矩阵对应的微分方程组
7.7 二阶状态递推模型
本章小结
第8章 摄动抑制
8.1 减小J2摄动的动态约束
8.1.1 三个约束条件
8.1.2 两个约束条件
8.1.3 一个约束条件
8.1.4 能量方面的考虑
8.1.5 数学仿真结果
8.2 一种基于轨道根数的非线性理论
8.3 动态模型误差影响比较
8.4 近圆轨道编队基本扰动频率
8.4.1 轨道平面和轨道法向频率
8.5 近圆轨道PCO初始条件的选择
8.6 轨道平面和轨道法向的基本频率匹配
8.6.1 幅值
8.7 基于改进CW方程的PCO编队保持
8.7.1 径向没有推力器的编队保持
8.8 燃料省和燃料平衡
本章小结
第9章 转动平移耦合影响
9.1 相对运动动力学
9.2 耦合相对运动模型
本章小结
第10章 编队控制
10.1 连续控制
10.1.1 CLF方法
10.1.2 基于平均轨道要素的LQR控制
10.2 离散时间的LQR控制
10.2.1 数值解
10.3 基于高斯变分方程的脉冲控制
10.3.1 编队建立
10.4 圆轨道双脉冲编队重构
10.5 单个轨道周期的双脉冲编队保持
10.5.1 圆轨道的解析解
10.5.2 燃料平衡中0的确定
10.5.3 平面内的冲量需求
本章小结
第11章 Ay指令的执行
11.1 任务规划
11.1.1 利用加速度计改善A0的实现
11.1.2 离散系统举例
11.2 对自主交会对接的影响
11.2.1 影响编队重构的因素
本章小结
第12章 相对测量与导航
12.1 动力学建模
12.2 测量更新：载波相位差分GPS
12.3 EKF与UKF相对导航方法的比较
12.3.1 基线不变，时间步长增大时的比较
12.3.2 基线增长时的比较
12.3.3 FreeFlyer TM 和GSFC仿真的比较
12.3.4 后一例
本章小结
第13章 高精度编队飞行仿真
13.1 仿真控制器结构
13.1.1 参数检查
13.2 仿真结果
本章小结
第14章 总结和展望
14.1 降低风险
14.2 燃料需求
14.3 任务执行
附录A 变换矩阵∑(T)
附录B 变换矩阵∑(T)-1
附录C 矩阵B(T)-
附录D 相对平均轨道根数的状态转移矩阵
附录E 从平根数到密切轨道根数的变换
附录F 平根数到密切轨道根数的雅可比行列式
附录G 小偏心率理论
附录H 扬一阿尔弗兰德非线性理论系数
参考文献
术语表
^ 收 起
Kyte T．A1friend博士，现任得克萨斯农工大学航空航天工程系工程试验站特聘研究讲座教授(曾于1997年至2000年期间担任该部门主管)，美国海军研究生院客座教授，美国国家工程院院士，美国天文学会和美国航空航天学会会士，国际宇航科学院院士，美国空军大学监事会成员。曾获美国天文学会德克·布劳尔奖和美国航空航天学会飞行力学与控制奖，受邀在2008以色列宇航科学会议上做冯·卡门大会报告，2005年同其他六位来自美国和俄罗斯的学者共同获得美国科学促进会的国际科学合作奖项。Alfriend在弗吉尼亚理工大学机械工程获学士与博士学位，在斯坦福大学应用力学专业获硕士学位，其主要研究方向包括空间监测、天体动力学、卫星姿态动力学与控制以及航天器设计等。
《航天器编队飞行--动力学控制与导航》作者阿尔弗林德教授是航天器编队技术领域的权威学者，他们充分发挥在本领域研究的领先优势，总结已有研究成果，完成了这本权威性论著。全书针对近地轨道航天器编队，详细介绍考虑航天器姿态和轨道相对运动的编队动力学建模、控制和导航等相关内容。在航天器相对运动动力学模型部分，给出了几种常用的摄动和非摄动相对运动非线性模型、二体假设下的相对运动线性微分方程以及基于轨道根数的相对运动模型，介绍了降低摄动影响的方法，并分析了转动和平动耦合情况下的相对运动模型。在航天器编队控制部分，讨论了编队建立、队形保持和队形重构过程中的连续和脉冲控制方法，介绍了加速度施加误差对控制性能的影响，探讨了引入加速度计测量提升系统性能的可行方法。在相对导航部分，讨论了不同滤波算法在相对轨道确定问题中的应用。
本书可作为高校航空航天专业高年级本科生和研究生的教材，也可供相关领域的教师和工程技术人员参考。
^ 收 起
本书可作为高校航空航天专业高年级本科生和研究生的教材，也可供相关领域的教师和工程技术人员参考。
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