自1991年10月美國伽利略號木星探測器飛掠探測小行星951 Gaspra以來，世界各主要航天國家開展的小行星探測相關(guān)的深空探測任務已達10余次。進入21世紀以來，全球掀起了小行星探測的熱潮，不斷地實現(xiàn)了小行星探測各種任務形式的零突破： 美國的會合舒梅克號首次成功繞飛并著陸小行星，日本的隼鳥號首次實現(xiàn)了小行星采樣返回，美國的黎明號首次環(huán)繞探測了主帶小行星并實現(xiàn)了多目標小行星環(huán)繞探測，日本的隼鳥2號釋放的巡視器首次實現(xiàn)在小行星表面跳躍移動。我國的嫦娥二號探測器在其拓展任務中成功近距離探測了圖塔蒂斯小行星，也拉開了我國小行星探測的序幕。
對于大行星附近的探測器，其任務軌道設計、制導與控制的研究通常是基于球形引力場或者球諧函數(shù)模型開展的。在大行星表面著陸段動力下降段的制導方法研究中，大行星的引力可以進一步簡化為常數(shù)。然而，不規(guī)則性小行星引力場具有很強的不規(guī)則性。經(jīng)典的非球形引力場模型，如球諧函數(shù)和橢球諧函數(shù)展開模型，在小行星布里淵球之內(nèi)存在不收斂的困難。對于小行星附近的探測器，需要關(guān)注不規(guī)則引力場環(huán)境下軌道設計與制導方法的研究，例如不規(guī)則引力場中的蘭伯特問題求解方法、不規(guī)則引力場中低消耗軌道保持標稱軌道的選取、不規(guī)則引力場中制導問題求解方法等。除了引力場不規(guī)則這一特點，小行星也具有弱引力場這一特點。小行星弱引力場使得探測器在小行星附近懸停探測變?yōu)榭赡堋Ｏ鄳兀枰P(guān)注懸停點穩(wěn)定性、懸停可行區(qū)域及懸停保持控制方法等研究。小行星弱引力場也對軟著陸控制精度提出了更高的要求。同時，小行星表面著陸還存在力學環(huán)境不確定性、地面通信延時問題等挑戰(zhàn)。相應的研究涉及小行星表面著陸在線制導和魯棒性控制等。
本書是一部系統(tǒng)介紹作者近七年來在不規(guī)則小行星附近制導與控制領(lǐng)域研究的專著。書中制導相關(guān)內(nèi)容包括開環(huán)制導和閉環(huán)制導兩種類型。其中開環(huán)制導用于生成標稱軌道和控制，又可以分為離線解算和在線解算兩種情形。同樣地，相關(guān)控制也包括開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。本書內(nèi)容共包括6章，首先介紹小行星附近制導與控制領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，然后介紹部分其他學者和作者在小行星模型方面的研究結(jié)果，接著按照懸停、轉(zhuǎn)移、繞飛、著陸四種情形順序，依次介紹不規(guī)則小行星附近制導與控制方面的作者研究成果和與作者研究密切相關(guān)的部分其他學者成果。
各章的主要內(nèi)容安排如下： 第1章是緒論，介紹研究背景、意義，以及國內(nèi)外學者對小行星附近懸停、轉(zhuǎn)移、繞飛、著陸等制導與控制問題的研究現(xiàn)狀。第2章介紹探測器飛行的動力學方程和不規(guī)則引力場模型并研究簡化模型參數(shù)確定方法。第3章研究探測器在不規(guī)則小行星附近小范圍飛行的懸停保持控制問題，系統(tǒng)研究了人工平衡點動力學特性，并研究了懸停保持線性和非線性閉環(huán)控制方法。第4章研究探測器在不規(guī)則小行星附近大范圍飛行的轉(zhuǎn)移與繞飛問題，研究了不規(guī)則引力場中軌道轉(zhuǎn)移脈沖機動和連續(xù)推力機動的制導方法，并研究了小行星附近常見的赤道面逆行周期軌道設計方法和保持控制方法。第5章研究小行星探測任務中的著陸軌跡制導問題，求解方法包括小推力軌跡優(yōu)化方法中有效的間接法，以及近期計算制導方法中的凸優(yōu)化方法。第6章研究小行星表面著陸在線制導與閉環(huán)控制問題，介紹了推力幅值約束條件下軌跡在線規(guī)劃方法和基于滑模控制理論的無標稱軌跡閉環(huán)制導與控制方法。
本書可以作為從事航天動力學、軌道設計與控制、導航與制導等專業(yè)的研究人員和工程技術(shù)人員的參考書，也可供相關(guān)領(lǐng)域的高校教師和研究生參考。本書內(nèi)容雖幾經(jīng)修改校正，但難免存在欠妥和錯誤之處，懇請讀者批評指正。作者衷心感謝國家杰出青年科學基金項目不規(guī)則引力場中的軌道理論 (No.11525208)、江蘇省自然科學基金項目小行星引力場中在線軌跡優(yōu)化與多約束控制方法研究(No.BK20180410)、國家自然科學基金項目不規(guī)則引力場防碰撞小推力軌跡優(yōu)化與智能制導研究（No.12102177）、中國科協(xié)青年人才托舉工程和國家科學技術(shù)學術(shù)著作出版基金的資助。
第1章緒論
1．1研究背景與意義
1．2小行星附近動力學研究現(xiàn)狀
1．2．1小行星引力場模型
1．2．2小行星平衡點
1．2．3小行星周期軌道
1．3小行星附近懸停控制研究現(xiàn)狀
1．3．1懸停閉環(huán)控制
1．3．2連續(xù)小推力懸停
1．3．3太陽帆懸停
1．4小行星附近轉(zhuǎn)移和繞飛軌道制導與控制研究現(xiàn)狀
1．4．1脈沖機動轉(zhuǎn)移軌道設計
1．4．2連續(xù)推力轉(zhuǎn)移閉環(huán)制導
1．4．3繞飛軌道控制
1．5小行星表面著陸制導研究現(xiàn)狀
1．5．1間接法
1．5．2偽譜法
1．5．3凸優(yōu)化方法
1．6小行星表面著陸在線制導與控制研究現(xiàn)狀
1．6．1多項式制導與控制
1．6．2基于解析控制的閉環(huán)制導方法
1．6．3基于軌跡優(yōu)化的計算制導方法
1．7本書各章節(jié)內(nèi)容安排
參考文獻
第2章動力學方程與引力場模型
2．1引言
2．2坐標系
2．3動力學方程
2．3．1無控動力學方程
2．3．2受控動力學方程
2．3．3平衡點及其附近線性化方程
2．4不規(guī)則小行星引力場模型
2．4．1球諧函數(shù)模型
2．4．2多面體模型
2．5細長形小行星簡化模型
2．5．1模型定義與有效勢能
2．5．2旋轉(zhuǎn)質(zhì)量偶極子模型參數(shù)確定
2．5．3旋轉(zhuǎn)質(zhì)量三極子模型參數(shù)確定
2．6本章小結(jié)
參考文獻
第3章小行星引力場中的懸停控制
3．1引言
3．2懸停動力學方程和約束條件
3．3人工平衡點動力學分析
3．3．1人工平衡點拓撲分類與分岔
3．3．2人工平衡點集分析
3．3．3人工平衡點穩(wěn)定性分析
3．3．4觀測覆蓋區(qū)域分析
3．4懸停反饋線性化控制
3．4．1細長形小行星共線型平衡點懸停線性控制
3．4．2一般懸停點處反饋線性化控制
3．4．3仿真算例
3．5懸停滑模控制
3．5．1滑模面定義及其穩(wěn)定性
3．5．2控制律和控制穩(wěn)定性
3．5．3抖振與奇異性消除方法
3．5．4仿真算例
3．6本章小結(jié)
參考文獻
第4章小行星引力場中轉(zhuǎn)移制導與繞飛控制
4．1引言
4．2雙脈沖轉(zhuǎn)移軌道設計
4．2．1不規(guī)則引力場蘭伯特問題
4．2．2基于粗略搜索和數(shù)值延拓的轉(zhuǎn)移軌道求解方法
4．2．3基于經(jīng)典蘭伯特解的轉(zhuǎn)移軌道求解方法
4．2．4仿真算例
4．3連續(xù)推力作用下軌道轉(zhuǎn)移制導方法
4．3．1ZEM/ZEV軌道轉(zhuǎn)移制導
4．3．2仿真算例
4．4赤道面附近逆行周期軌道設計
4．4．1周期軌道設計方法
4．4．2周期軌道穩(wěn)定性分析
4．4．3仿真算例
4．5繞飛軌道跟蹤線性反饋控制
4．5．1線性反饋控制設計
4．5．2仿真算例
4．6本章小結(jié)
參考文獻
第5章小行星表面著陸制導
5．1引言
5．2受控著陸制導問題描述
5．3控制律和一階必要條件
5．3．1時間
5．3．2燃料
5．4燃料問題求解的同倫方法
5．4．1同倫法描述
5．4．2飛行時長和初始位置對燃料影響分析
5．4．3仿真算例
5．5燃料問題求解的無初值猜測同倫方法
5．5．1燃料與能量控制問題
5．5．2零廣義重力能量控制問題
5．5．3無控制約束零廣義重力能量控制問題解
5．5．4無初值猜測同倫方法
5．5．5仿真算例
5．6燃料問題凸優(yōu)化求解方法
5．6．1近似等價問題
5．6．2仿真算例
5．7時間問題凸優(yōu)化求解方法
5．7．1等價關(guān)聯(lián)可凸化著陸問題
5．7．2小著陸誤差問題性質(zhì)
5．7．3簡化小著陸誤差問題
5．7．4飛行時長快速搜索方法
5．7．5仿真算例
5．8本章小結(jié)
參考文獻
第6章小行星表面著陸在線制導與控制
6．1引言
6．2基于解耦軌跡規(guī)劃的在線制導
6．2．1解耦軌跡規(guī)劃問題
6．2．2解耦軌跡規(guī)劃方法
6．2．3仿真算例
6．3著陸多滑模面制導
6．3．1多滑模面制導設計
6．3．2仿真算例
6．4著陸軌跡終端滑模控制
6．4．1終端滑模控制設計
6．4．2終端滑模控制分析
6．4．3仿真算例
6．5本章小結(jié)
參考文獻
附錄解耦軌跡規(guī)劃問題控制切換點解析解
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