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復雜航天器先進姿態控制技術 版權信息
- ISBN：9787515922249
- 條形碼：9787515922249 ; 978-7-5159-2224-9
- 裝幀：精裝
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
復雜航天器先進姿態控制技術 內容簡介
本書系統地總結了作者在復雜航天器姿態控制領域的優選技術成果和工程試驗經驗。全書內容共分為12章，介紹了復雜航天器的物理運動參考系統、剛柔耦合部件的數學模型、姿態確定方法和多種姿態控制優選算法技術。具體算法技術涉及多角度機動控制、柔性振動抑制、機動路徑規劃、奇異攝動分析和變參數控制應用等方面。全書重點論述了復雜航天器優選姿態控制所需要的一系列高精度姿態確定方法和高精度、高穩定度、快速機動姿態控制方法。本書主要面向航天器制導導航與控制系統設計人員和從事復雜運動體控制理論與控制工程研究的科技人員，同時也可供航天器設計、自動化控制等相關專業的高校研究生閱讀參考。
復雜航天器先進姿態控制技術 目錄
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常用的坐標系38 2.2.1慣性坐標系38 2.2.2地心J2000慣性坐標系OiXiYiZi38 2.2.3軌道坐標系OoXoYoZo39 2.2.4航天器本體坐標系ObXbYbZb40 2.2.5WGS84坐標系OeXeYeZe40 2.2.6相機坐標系OsXsYsZs40 2.2.7像面坐標系OcXcYcZc40 2.3航天器姿態描述方法41 2.3.1坐標系空間轉換與方向余弦陣41 2.3.2歐拉定理和歐拉四元數44 2.3.3矢量運算和四元數運算46 2.4航天器姿態運動學方程49 2.4.1方向余弦陣運動學方程49 2.4.2歐拉角運動學方程49 2.4.3四元數運動學方程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復雜航天器系統耦合動力學方程55 2.6.1帆板驅動電機動力學模型55 2.6.2系統耦合動力學模型56 2.6.3系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基于魯棒擴展卡爾曼濾波的姿態確定算法研究97 3.6.2基于強跟蹤濾波的姿態確定算法研究102 3.7基于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基于路徑規劃的姿態敏捷機動控制123 4.3.1時間*優姿態機動路徑規劃123 4.3.2準時間*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系統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基于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章基于路徑規劃和變系數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變系數PD快速穩定姿態控制器設計204 6.3.1基于指數形式的變系數PD控制器設計205 6.3.2基于冪次形式的變系數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章基于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輸入成型應用于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輸入成型器調制后的導引姿態路徑226 7.4.3姿態機動控制仿真結果與分析227 7.5輸入成型應用于柔性帆板驅動過程中的振動抑制驗證229 7.5.1地面驗證試驗系統組成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系統中的應用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基于奇異攝動理論的柔性航天器姿態控制系統設計239 8.3.1柔性航天器的奇異攝動分解239 8.3.2基于PID和LQR的復合控制器設計241 8.3.3基于滑模變結構控制和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基于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基于有限時間的自適應姿態跟蹤控制律287 10.4基于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基于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基于狀態反饋的無角速度信息姿態控制律303 10.9基于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線性變參數系統建模318 11.2.1線性變參數系統理論基礎318 11.2.2線性變參數系統建模方法320 11.2.3基于HOSVD的LPV系統多胞分解322 11.2.4模型降階323 11.3線性變參數系統穩定性分析330 11.3.1線性矩陣不等式330 11.3.2線性變參數系統的穩定性332 11.3.3線性變參數系統的性能指標333 11.4線性變參數控制系統設計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系統魯棒變增益控制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
第2章姿態運動學和動力學38 2.1引言38 2.2常用的坐標系38 2.2.1慣性坐標系38 2.2.2地心J2000慣性坐標系OiXiYiZi38 2.2.3軌道坐標系OoXoYoZo39 2.2.4航天器本體坐標系ObXbYbZb40 2.2.5WGS84坐標系OeXeYeZe40 2.2.6相機坐標系OsXsYsZs40 2.2.7像面坐標系OcXcYcZc40 2.3航天器姿態描述方法41 2.3.1坐標系空間轉換與方向余弦陣41 2.3.2歐拉定理和歐拉四元數44 2.3.3矢量運算和四元數運算46 2.4航天器姿態運動學方程49 2.4.1方向余弦陣運動學方程49 2.4.2歐拉角運動學方程49 2.4.3四元數運動學方程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復雜航天器系統耦合動力學方程55 2.6.1帆板驅動電機動力學模型55 2.6.2系統耦合動力學模型56 2.6.3系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基于魯棒擴展卡爾曼濾波的姿態確定算法研究97 3.6.2基于強跟蹤濾波的姿態確定算法研究102 3.7基于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基于路徑規劃的姿態敏捷機動控制123 4.3.1時間*優姿態機動路徑規劃123 4.3.2準時間*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系統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基于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章基于路徑規劃和變系數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變系數PD快速穩定姿態控制器設計204 6.3.1基于指數形式的變系數PD控制器設計205 6.3.2基于冪次形式的變系數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章基于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輸入成型應用于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輸入成型器調制后的導引姿態路徑226 7.4.3姿態機動控制仿真結果與分析227 7.5輸入成型應用于柔性帆板驅動過程中的振動抑制驗證229 7.5.1地面驗證試驗系統組成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系統中的應用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基于奇異攝動理論的柔性航天器姿態控制系統設計239 8.3.1柔性航天器的奇異攝動分解239 8.3.2基于PID和LQR的復合控制器設計241 8.3.3基于滑模變結構控制和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基于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基于有限時間的自適應姿態跟蹤控制律287 10.4基于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基于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基于狀態反饋的無角速度信息姿態控制律303 10.9基于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線性變參數系統建模318 11.2.1線性變參數系統理論基礎318 11.2.2線性變參數系統建模方法320 11.2.3基于HOSVD的LPV系統多胞分解322 11.2.4模型降階323 11.3線性變參數系統穩定性分析330 11.3.1線性矩陣不等式330 11.3.2線性變參數系統的穩定性332 11.3.3線性變參數系統的性能指標333 11.4線性變參數控制系統設計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系統魯棒變增益控制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
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復雜航天器先進姿態控制技術 作者簡介
周偉敏，博士，研究員，曾任中國航天科技集團公司八院科技委常委，型號總指揮。長期從事航天型號測試系統研制及衛星總體工作，曾任實踐七號衛星行政負責人，任遙感衛星八號、遙感衛星三十四號型號總指揮。帶領團隊研制我國第一顆寬幅光學衛星“遙感衛星八號”，并二次榮獲國家科技進步二等獎。曾獲航天創新獎，上海市科技領軍人才。享受國務院特貼。
朱慶華，博士，研究員，上海航天控制技術研究所任職，長期從事航天器導航制導與控制技術研究，任遙感衛星三十四號副總設計師，我國首次火星探測天問一號環繞器副總技術負責人，獲國家科技進步二等獎1項，國防科技進步一等獎1項、二等獎1項，軍隊科技進步一等獎1項，獲航天科技集團有限公司青年拔尖人才，上海市學術帶頭人等稱號。
梁玉瑩，女，北京航空航天大學宇航學院，副教授/博導，從事航天器動力學與控制、先進智能方法及其航天應用等方面的研究工作。本科畢業于北京航空航天大學宇航學院飛行器設計與工程專業，博士畢業于北京航空航天大學宇航學院飛行器設計專業。2018年-2019年，在加拿大約克大學做博士后工作；2019年7-11月受到加拿大Mitacs基金的資助，在巴塞羅那大學做短期訪問學者；2019年-2021年，獲評日本學術振興學者，受邀在JAXA宇宙科學研究所參與日本2024年發射的MMX火衛一探測飛行器，合作導師川勝康弘(MMX任務項目經理)和藤本正樹(宇宙科學研究所副所長)。
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