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航天器在軌服務任務規劃與控制 版權信息
- ISBN：9787515922645
- 條形碼：9787515922645 ; 978-7-5159-2264-5
- 裝幀：平裝-膠訂
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
航天器在軌服務任務規劃與控制 內容簡介
針對航天器在軌服務體系建設與技術發展需求,本書系統總結了以地球同步軌道衛星為代表的高軌高價值航天器在軌服務任務規劃與控制技術相關研究成果,介紹了航天器軌道姿態和空間機械臂動力學基礎與建模,并以此為基礎重點闡述了航天器在軌服務任務建模與序列規劃、空間失穩目標安全逼近任務規劃與控制、空間失穩目標脈沖接觸消旋建模與控制、空間失穩目標在軌捕獲任務規劃與控制、目標捕獲后組合體角動量轉移與抑振控制等關鍵技術的理論方法和算例驗證,*后介紹了航天器在軌服務任務規劃與控制仿真軟件、在軌服務機械臂工程設計與驗證。本書作為系統論述航天器在軌服務任務規劃與控制技術的學術專著,其理論與工程結合緊密,具有較強的前沿性和實用性,可供從事航天器總體設計、航天器動力學與控制、航天器在軌服務技術研究的科研人員和工程設計人員參考,也可作為高等院校飛行器設計相關專業研究生和本科生的參考教材。
航天器在軌服務任務規劃與控制 目錄
目錄
第1章緒論1
1.1航天器在軌服務概述1
1.1.1在軌服務概念1
1.1.2在軌服務任務分析2
1.1.3在軌服務研究意義4
1.2航天器在軌服務計劃發展概況4
1.2.1國際在軌服務市場現狀4
1.2.2美國在軌服務計劃發展概況6
1.2.3歐洲在軌服務計劃發展概況13
1.2.4其他在軌服務計劃發展概況15
1.3航天器在軌服務技術研究現狀17
1.3.1航天器在軌服務任務規劃17
1.3.2空間失穩目標逼近與消旋18
1.3.3空間機械臂動力學建模21
1.3.4空間機械臂運動軌跡規劃22
1.3.5空間機械臂控制系統設計24
1.4本書內容與系統設定25
1.4.1本書主要內容25
1.4.2系統基本設定28
1.4.3符號與坐標系定義29
第2章航天器軌道姿態動力學基礎與建模32 2.1矢量與坐標轉換32 2.1.1矢量與矩陣運算32 2.1.2坐標轉換矩陣33 2.1.3張量矩陣坐標轉換35 2.1.4坐標系旋轉效應36 2.2航天器軌道動力學基礎38 2.2.1航天器二體問題38 2.2.2航天器軌道根數39 2.2.3航天器軌道常用公式42 2.2.4航天器軌道攝動43 2.3航天器姿態動力學基礎45 2.3.1航天器姿態描述45 2.3.2航天器姿態運動學方程48 2.3.3航天器姿態動力學方程49 2.3.4空間環境干擾力矩50 2.4航天器相對軌道姿態動力學建模52 2.4.1相對軌道動力學方程52 2.4.2相對姿態動力學方程54 2.4.3相對軌道姿態耦合動力學方程55 2.5本章小結56
第3章空間機械臂動力學基礎與建模57 3.1空間機械臂與服務衛星平臺剛體動力學建模57 3.1.1模型假設與符號57 3.1.2平臺受控剛體運動學方程59 3.1.3自由漂浮剛體運動學方程60 3.1.4平臺受控剛體動力學方程61 3.1.5自由漂浮剛體動力學方程63 3.1.6模型仿真驗證63 3.2空間機械臂連接的柔性組合體動力學建模66 3.2.1模型假設與符號66 3.2.2柔性關節動力學方程68 3.2.3柔性體上任意點速度69 3.2.4柔性組合體動能70 3.2.5動量守恒方程73 3.2.6柔性組合體動力學方程74 3.2.7模型仿真驗證75 3.3本章小結80
第4章航天器在軌服務任務建模與序列規劃82 4.1地球同步軌道目標特性分析82 4.1.1目標分布特性82 4.1.2目標運動特性84 4.1.3目標幾何特性85 4.1.4目標光學特性86 4.2地球同步軌道動力學建模87 4.2.1地球同步軌道服務場景87 4.2.2霍曼蘭伯特交會模型88 4.3地球同步軌道在軌服務任務建模90 4.3.1在軌加注/維修任務90 4.3.2輔助位置保持任務90 4.3.3傾角漂移調整任務91 4.3.4廢棄衛星離軌任務91 4.3.5失效衛星救援任務92 4.4基于強化學習的服務序列規劃94 4.4.1強化學習算法94 4.4.2狀態與動作定義96 4.4.3獎賞函數定義97 4.4.4服務序列規劃流程97 4.5工程算例仿真驗證97 4.5.1仿真參數設定97 4.5.2霍曼蘭伯特交會仿真結果99 4.5.3服務序列規劃仿真結果100 4.6本章小結103
第5章空間失穩目標安全逼近任務規劃與控制104 5.1空間失穩目標姿態運動分析104 5.1.1不同類型衛星姿態運動104 5.1.2目標衛星姿態運動分析106 5.1.3服務衛星姿態運動分析107 5.2空間失穩目標安全逼近任務規劃108 5.2.1動態安全走廊定義108 5.2.2直線逼近路徑選擇109 5.2.3動態安全走廊逼近策略109 5.2.4軌道轉移階段任務規劃111 5.2.5直線逼近階段任務規劃113 5.3逼近過程中的緊急撤離任務規劃113 5.3.1緊急撤離策略113 5.3.2安全逼近速度分析115 5.3.3緊急撤離時間分析116 5.4服務衛星相對軌道姿態耦合控制117 5.4.1相對耦合誤差動力學模型117 5.4.2相對軌道姿態耦合控制器設計118 5.5工程算例仿真驗證119 5.5.1仿真參數設定119 5.5.2安全逼近與緊急撤離仿真結果120 5.5.3服務衛星耦合控制仿真結果123 5.6本章小結125
第6章空間失穩目標脈沖接觸消旋建模與控制126 6.1空間失穩目標接觸消旋策略126 6.1.1消旋桿方案設計126 6.1.2接觸消旋策略流程127 6.2空間失穩目標接觸消旋動力學建模129 6.2.1目標衛星動力學模型129 6.2.2消旋桿接觸檢測方法130 6.2.3消旋桿接觸力模型132 6.3空間失穩目標脈沖接觸消旋*優控制133 6.3.1脈沖接觸消旋控制器設計133 6.3.2控制系統穩定性分析134 6.3.3章動收斂條件分析135 6.4空間機械臂與服務衛星平臺協同控制136 6.4.1空間機械臂點到點規劃與控制136 6.4.2服務衛星平臺前饋補償協同控制137 6.5工程算例仿真驗證139 6.5.1仿真參數設定139 6.5.2脈沖接觸消旋仿真結果140 6.5.3協同控制仿真結果144 6.6本章小結147
第7章空間失穩目標在軌捕獲任務規劃與控制149 7.1空間機械臂視覺伺服與目標運動預測149 7.1.1空間機械臂視覺伺服系統149 7.1.2卡爾曼濾波運動預測151 7.2空間機械臂自主捕獲失穩目標軌跡規劃152 7.2.1目標捕獲軌跡規劃問題152 7.2.2速度增益矩陣動態調整方法154 7.2.3目標捕獲軌跡規劃方法157 7.3空間機械臂全局終端滑模軌跡跟蹤控制158 7.3.1全局終端滑模控制器設計158 7.3.2控制系統穩定性分析160 7.3.3跟蹤誤差收斂時間分析161 7.4視覺測量誤差對目標捕獲控制精度影響163 7.4.1視覺測量誤差模型163 7.4.2測量誤差到單步控制誤差傳遞模型164 7.4.3測量誤差到*終控制誤差傳遞模型165 7.5工程算例仿真驗證166 7.5.1仿真參數設定166 7.5.2目標捕獲軌跡規劃仿真結果167 7.5.3機械臂軌跡跟蹤控制仿真結果170 7.5.4測量誤差影響仿真結果172 7.6本章小結176
第8章目標捕獲后組合體角動量轉移與抑振控制178 8.1柔性組合體角動量轉移與抑振規劃178 8.1.1角動量轉移優化方法178 8.1.2基于粒子群算法的抑振軌跡規劃180 8.2柔性組合體動力學模型奇異攝動分解184 8.2.1柔性組合體奇異攝動模型184 8.2.2慢變子系統動力學方程185 8.2.3快變子系統動力學方程185 8.3柔性組合體軌跡跟蹤與振動抑制復合控制187 8.3.1柔性組合體復合控制結構187 8.3.2慢變子系統全局終端滑模控制187 8.3.3快變子系統LQR*優控制188 8.4工程算例仿真驗證188 8.4.1仿真參數設定188 8.4.2角動量轉移與抑振規劃仿真結果189 8.4.3柔性組合體復合控制仿真結果193 8.5本章小結197
第9章航天器在軌服務任務規劃與控制仿真軟件198 9.1航天器在軌服務任務規劃與控制仿真軟件開發198 9.1.1仿真軟件框架結構設計198 9.1.2仿真軟件功能模塊開發199 9.2空間失穩目標逼近/消旋/捕獲/穩定全過程仿真203 9.2.1仿真算例設定與程序流程203 9.2.2安全逼近過程仿真結果203 9.2.3接觸消旋過程仿真結果205 9.2.4在軌捕獲過程仿真結果206 9.2.5組合體穩定過程仿真結果207 9.3本章小結209
第10章在軌服務機械臂工程設計與驗證210 10.1在軌服務機械臂工程設計210 10.1.1設計要求210 10.1.2設計流程212 10.1.3任務分析與指標分解213 10.1.4系統設計214 10.1.5執行子系統設計216 10.1.6控制子系統設計220 10.1.7感知子系統設計224 10.2在軌服務機械臂設計實例228 10.2.1設計要求228 10.2.2系統總體設計229 10.2.3執行子系統設計231 10.2.4控制子系統設計232 10.2.5感知子系統設計234 10.3在軌服務機械臂工程驗證234 10.3.1驗證項目矩陣234 10.3.2地面驗證方案235 10.3.3在軌驗證方案237 10.4本章小結239 參考文獻240
第2章航天器軌道姿態動力學基礎與建模32 2.1矢量與坐標轉換32 2.1.1矢量與矩陣運算32 2.1.2坐標轉換矩陣33 2.1.3張量矩陣坐標轉換35 2.1.4坐標系旋轉效應36 2.2航天器軌道動力學基礎38 2.2.1航天器二體問題38 2.2.2航天器軌道根數39 2.2.3航天器軌道常用公式42 2.2.4航天器軌道攝動43 2.3航天器姿態動力學基礎45 2.3.1航天器姿態描述45 2.3.2航天器姿態運動學方程48 2.3.3航天器姿態動力學方程49 2.3.4空間環境干擾力矩50 2.4航天器相對軌道姿態動力學建模52 2.4.1相對軌道動力學方程52 2.4.2相對姿態動力學方程54 2.4.3相對軌道姿態耦合動力學方程55 2.5本章小結56
第3章空間機械臂動力學基礎與建模57 3.1空間機械臂與服務衛星平臺剛體動力學建模57 3.1.1模型假設與符號57 3.1.2平臺受控剛體運動學方程59 3.1.3自由漂浮剛體運動學方程60 3.1.4平臺受控剛體動力學方程61 3.1.5自由漂浮剛體動力學方程63 3.1.6模型仿真驗證63 3.2空間機械臂連接的柔性組合體動力學建模66 3.2.1模型假設與符號66 3.2.2柔性關節動力學方程68 3.2.3柔性體上任意點速度69 3.2.4柔性組合體動能70 3.2.5動量守恒方程73 3.2.6柔性組合體動力學方程74 3.2.7模型仿真驗證75 3.3本章小結80
第4章航天器在軌服務任務建模與序列規劃82 4.1地球同步軌道目標特性分析82 4.1.1目標分布特性82 4.1.2目標運動特性84 4.1.3目標幾何特性85 4.1.4目標光學特性86 4.2地球同步軌道動力學建模87 4.2.1地球同步軌道服務場景87 4.2.2霍曼蘭伯特交會模型88 4.3地球同步軌道在軌服務任務建模90 4.3.1在軌加注/維修任務90 4.3.2輔助位置保持任務90 4.3.3傾角漂移調整任務91 4.3.4廢棄衛星離軌任務91 4.3.5失效衛星救援任務92 4.4基于強化學習的服務序列規劃94 4.4.1強化學習算法94 4.4.2狀態與動作定義96 4.4.3獎賞函數定義97 4.4.4服務序列規劃流程97 4.5工程算例仿真驗證97 4.5.1仿真參數設定97 4.5.2霍曼蘭伯特交會仿真結果99 4.5.3服務序列規劃仿真結果100 4.6本章小結103
第5章空間失穩目標安全逼近任務規劃與控制104 5.1空間失穩目標姿態運動分析104 5.1.1不同類型衛星姿態運動104 5.1.2目標衛星姿態運動分析106 5.1.3服務衛星姿態運動分析107 5.2空間失穩目標安全逼近任務規劃108 5.2.1動態安全走廊定義108 5.2.2直線逼近路徑選擇109 5.2.3動態安全走廊逼近策略109 5.2.4軌道轉移階段任務規劃111 5.2.5直線逼近階段任務規劃113 5.3逼近過程中的緊急撤離任務規劃113 5.3.1緊急撤離策略113 5.3.2安全逼近速度分析115 5.3.3緊急撤離時間分析116 5.4服務衛星相對軌道姿態耦合控制117 5.4.1相對耦合誤差動力學模型117 5.4.2相對軌道姿態耦合控制器設計118 5.5工程算例仿真驗證119 5.5.1仿真參數設定119 5.5.2安全逼近與緊急撤離仿真結果120 5.5.3服務衛星耦合控制仿真結果123 5.6本章小結125
第6章空間失穩目標脈沖接觸消旋建模與控制126 6.1空間失穩目標接觸消旋策略126 6.1.1消旋桿方案設計126 6.1.2接觸消旋策略流程127 6.2空間失穩目標接觸消旋動力學建模129 6.2.1目標衛星動力學模型129 6.2.2消旋桿接觸檢測方法130 6.2.3消旋桿接觸力模型132 6.3空間失穩目標脈沖接觸消旋*優控制133 6.3.1脈沖接觸消旋控制器設計133 6.3.2控制系統穩定性分析134 6.3.3章動收斂條件分析135 6.4空間機械臂與服務衛星平臺協同控制136 6.4.1空間機械臂點到點規劃與控制136 6.4.2服務衛星平臺前饋補償協同控制137 6.5工程算例仿真驗證139 6.5.1仿真參數設定139 6.5.2脈沖接觸消旋仿真結果140 6.5.3協同控制仿真結果144 6.6本章小結147
第7章空間失穩目標在軌捕獲任務規劃與控制149 7.1空間機械臂視覺伺服與目標運動預測149 7.1.1空間機械臂視覺伺服系統149 7.1.2卡爾曼濾波運動預測151 7.2空間機械臂自主捕獲失穩目標軌跡規劃152 7.2.1目標捕獲軌跡規劃問題152 7.2.2速度增益矩陣動態調整方法154 7.2.3目標捕獲軌跡規劃方法157 7.3空間機械臂全局終端滑模軌跡跟蹤控制158 7.3.1全局終端滑模控制器設計158 7.3.2控制系統穩定性分析160 7.3.3跟蹤誤差收斂時間分析161 7.4視覺測量誤差對目標捕獲控制精度影響163 7.4.1視覺測量誤差模型163 7.4.2測量誤差到單步控制誤差傳遞模型164 7.4.3測量誤差到*終控制誤差傳遞模型165 7.5工程算例仿真驗證166 7.5.1仿真參數設定166 7.5.2目標捕獲軌跡規劃仿真結果167 7.5.3機械臂軌跡跟蹤控制仿真結果170 7.5.4測量誤差影響仿真結果172 7.6本章小結176
第8章目標捕獲后組合體角動量轉移與抑振控制178 8.1柔性組合體角動量轉移與抑振規劃178 8.1.1角動量轉移優化方法178 8.1.2基于粒子群算法的抑振軌跡規劃180 8.2柔性組合體動力學模型奇異攝動分解184 8.2.1柔性組合體奇異攝動模型184 8.2.2慢變子系統動力學方程185 8.2.3快變子系統動力學方程185 8.3柔性組合體軌跡跟蹤與振動抑制復合控制187 8.3.1柔性組合體復合控制結構187 8.3.2慢變子系統全局終端滑模控制187 8.3.3快變子系統LQR*優控制188 8.4工程算例仿真驗證188 8.4.1仿真參數設定188 8.4.2角動量轉移與抑振規劃仿真結果189 8.4.3柔性組合體復合控制仿真結果193 8.5本章小結197
第9章航天器在軌服務任務規劃與控制仿真軟件198 9.1航天器在軌服務任務規劃與控制仿真軟件開發198 9.1.1仿真軟件框架結構設計198 9.1.2仿真軟件功能模塊開發199 9.2空間失穩目標逼近/消旋/捕獲/穩定全過程仿真203 9.2.1仿真算例設定與程序流程203 9.2.2安全逼近過程仿真結果203 9.2.3接觸消旋過程仿真結果205 9.2.4在軌捕獲過程仿真結果206 9.2.5組合體穩定過程仿真結果207 9.3本章小結209
第10章在軌服務機械臂工程設計與驗證210 10.1在軌服務機械臂工程設計210 10.1.1設計要求210 10.1.2設計流程212 10.1.3任務分析與指標分解213 10.1.4系統設計214 10.1.5執行子系統設計216 10.1.6控制子系統設計220 10.1.7感知子系統設計224 10.2在軌服務機械臂設計實例228 10.2.1設計要求228 10.2.2系統總體設計229 10.2.3執行子系統設計231 10.2.4控制子系統設計232 10.2.5感知子系統設計234 10.3在軌服務機械臂工程驗證234 10.3.1驗證項目矩陣234 10.3.2地面驗證方案235 10.3.3在軌驗證方案237 10.4本章小結239 參考文獻240
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航天器在軌服務任務規劃與控制 作者簡介
王興龍，博士，高級工程師，長期從事航天器總體設計、航天器動力學與控制、航天器在軌服務等領域的型號和預研工作。
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