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第1章 概论1

1.1航天器编队飞行任务的发展现状2

1.1.1对地观测编队飞行任务2

1.1.2天文观测编队飞行任务3

1.1.3编队飞行技术试验任务4

1.2航天器编队动力学与控制研究进展6

1.2.1航天器编队相对动力学建模6

1.2.2航天器编队相对构形设计7

1.2.3航天器编队相对导航方法8

1.2.4航天器编队相对控制方法9

1.2.5航天器编队地面仿真验证12

1.3本书的主要内容13

参考文献13

第2章 航天器编队相对动力学基础21

2.1坐标系定义21

2.2相对轨道动力学表述22

2.2.1用相对位置速度表示的相对轨道运动方程22

2.2.2用相对轨道要素表示的相对轨道运动方程25

2.2.3基于哈密顿原理的相对轨道运动方程37

2.2.4基于相对偏心率／倾角矢量的相对运动模型42

2.3相对姿态动力学表述48

2.3.1相对姿态的描述48

2.3.2用欧拉角表示的相对姿态运动方程51

2.3.3用四元数表示的相对姿态运动方程52

2.3.4基于MRP的相对姿态运动学方程52

2.4小结53

参考文献53

第3章 航天器编队空间构形设计方法55

3.1基于配置相对偏心率／倾角矢量的编队构形设计55

3.1.1基于图形法的相对偏心率／倾角矢量配置55

3.1.2相对偏心率／倾角矢量的图形配置方法57

3.1.3基于相对偏心率／倾角矢量最优配置的构形优化设计62

3.2用相对轨道要素表示的空间构形设计62

3.2.1系统相对运动数学模型62

3.2.2系统构形设计一般方法64

3.3空间构形设计中环境摄动的补偿65

3.3.1测量控制误差对系统相对轨道要素的影响65

3.3.2J2和大气阻力对系统相对轨道要素的影响67

3.3.3考虑系统控制误差情况下的修正周期68

3.4小结72

参考文献72

第4章 航天器编队相对轨道确定方法74

4.1编队构形自然漂移过程的相对轨道确定方法74

4.1.1近圆参考轨道编队的相对轨道确定75

4.1.2椭圆参考轨道编队的相对轨道确定80

4.2编队构形调整过程中的相对轨道确定方法81

4.2.1强跟踪滤波器的设计82

4.2.2相对轨道确定84

4.3针对弱观测情况的相对轨道确定方法84

4.3.1相对轨道确定的能观测条件84

4.3.2利用距离信息的相对轨道确定87

4.3.3利用角度信息的相对轨道确定91

4.4基于Schmidt-EKF联邦滤波的相对定轨方法93

4.4.1估计器构形及算法94

4.4.2联邦滤波算法96

4.4.3相对轨道确定98

4.5小结102

参考文献102

第5章 航天器编队构形维持及重构控制方法103

5.1基于轨道要素的构形维持控制方法103

5.1.1基于平均轨道要素偏差的构形自主修正方法103

5.1.2基于面质比调整的构形迹向漂移修正方法106

5.2基于偏心率／倾角矢量的构形维持控制方法109

5.2.1基于最优参考控制点的燃料最优构形保持109

5.2.2基于相位角旋转的构形保持燃料均衡策略114

5.2.3基于偏心率／倾角矢量的构形保持控制方法116

5.3基于连续推力的编队构形控制方法127

5.3.1基于LQR的绕飞轨道保持控制127

5.3.2基于多项式特征结构配置的高精度位置保持130

5.4基于相对偏心率／倾角矢量的编队构形重构控制方法136

5.4.1基于相对偏心率／倾角矢量的最优多脉冲相对轨道转移问题137

5.4.2单颗航天器的最优多脉冲相对轨道转移解析解及其证明138

5.4.3编队构形重构的最优多脉冲解析解147

5.5基于双脉冲的编队构形重构优化控制方法149

5.5.1椭圆轨道时绕飞轨道间的优化转移150

5.5.2近圆轨道时绕飞轨道间的优化转移153

5.6小结159

参考文献159

第6章 航天器编队姿态协同控制方法161

6.1相对姿态信息获取161

6.1.1发射信号航天器期望姿态161

6.1.2接收信号航天器期望姿态162

6.1.3期望姿态信息获取163

6.2相对协同控制体系结构164

6.3非线性PID协同控制算法166

6.3.1基于Lyapunov理论的一般性控制器166

6.3.2主要结果的扩展170

6.4变结构协同控制器173

6.4.1基于四元数的一般性控制器174

6.4.2主要结果的扩展178

6.5小结182

参考文献182

第7章 航天器编队轨道与姿态耦合控制方法184

7.1基于独立模型的相对轨道与姿态耦合控制方法184

7.1.1相对轨道与姿态耦合动力学模型185

7.1.2耦合控制器设计185

7.2相对轨道与姿态一体化耦合控制方法191

7.2.1姿态约束条件192

7.2.2相对运动的一体化控制196

7.2.3高斯伪谱离散化方法197

7.3考虑耦合动力学的航天器编队相对运动分布式控制方法202

7.3.1相对运动解耦条件202

7.3.2解耦姿态控制器设计206

7.3.3多航天器编队分布式控制208

7.4航天器编队相对运动分布式协同控制213

7.4.1分组分布式协同控制策略214

7.4.2相对姿态分布式协同控制215

7.4.3相对轨道分布式协同控制218

7.4.4相对轨道与姿态6DOF协同控制219

7.5小结222

参考文献222

第8章 航天器编队地面仿真验证224

8.1系统组成概述224

8.2硬件组成与接口关系225

8.2.1硬件特性及技术指标参数227

8.2.2硬件接口模型241

8.3地面仿真系统建模与分析246

8.3.1系统动力学建模246

8.3.2与空间运动相似性分析249

8.4相对姿态协同控制地面仿真验证250

8.4.1试验前的准备250

8.4.2试验流程及方案250

8.5相对位置协同控制地面仿真验证258

8.5.1试验方案258

8.5.2试验方法与流程260

8.5.3试验结果及分析262

8.6小结273

参考文献273