本書闡述了航天器軌道和姿態的運動規律及其控制技術。全書以航天器動力學和控制為核心，首先概述航天器類型和航天器控制相關概念，介紹組成航天器控制系統的典型敏感器、控制器和執行機構；其次介紹航天器軌道與軌道動力學、軌道確定方法和軌道控制方法，航天器姿態運動學與動力學、姿態確定方法和姿態控制方法；最后介紹航天器自主導航、制導與控制方法。本書是北京控制工程研究所眾多工程技術人員多年控制理論方法研究和工程實踐的成果總結，是理論和工程實踐相結合的產物。本書可作為高等院校宇航相關專業師生的教學參考書，也可供從事宇航工程、航天器控制系統設計及有關專業的科技人員參考。
1.展現了我國空間科學技術的眾多原創性科研成果。
2.反映“互聯網+”與航天技術的融合發展。
3.體現我國空間探索和空間應用的科技創新能力。
4.叢書由葉培建院士領銜，孫家棟、閔桂榮、王希季三位院士聯袂推薦。
5.力圖為研究和設計的人員提供新的設計思路和方法。
解永春，研究員，博士生導師，現任職于北京控制工程研究所，科技委主任。主要從事航天器制導導航與控制、智能自適應控制等方面的研究工作。負責完成了神舟載人飛船制導導航與控制系統方案設計，成功實現了“神舟八號”到“神舟十號”與“天宮一號”的交會對接。獲得部級科技進步一等獎等多項獎勵，出版著作《航天器交會對接制導導航控制原理和方法》，發表核心期刊論文近百篇。
雷擁軍，研究員，博士生導師，現任職于北京控制工程研究所，低軌遙感控制資深主任設計師。主要從事航天器控制、智能自適應控制理論及應用等方向的研究工作。負責完成了多顆遙感衛星控制系統方案設計工作。獲省部級科技進步獎多項獎勵。出版著作《衛星姿態測量與確定》，發表核心期刊論文20余篇。
郭建新，研究員，碩士生導師，現任職于北京控制工程研究所，中高軌衛星控制方案主任設計師。主要從事航天器自主導航及軌道控制、多體航天器復合控制等方向的研究工作。負責完成了我國新一代通信衛星和北斗導航衛星控制系統方案設計工作。獲部級科技進步一等獎等多項獎勵，發表核心期刊論文近10篇。
第 1章緒論001
1.1航天器類型002
1.1.1近地軌道衛星003
1.1.2月球及深空探測器004
1.1.3載人航天器005
1.1.4臨近空間飛行器007
1.2航天器控制內涵009
1.2.1軌道運動009
1.2.2軌道確定010
1.2.3軌道控制010
1.2.4姿態運動011
1.2.5姿態確定012
1.2.6姿態控制012
1.2.7制導、導航與控制013
參考文獻016
第 2章航天器控制系統017
2.1引言018
2.2姿態測量敏感器022
2.2.1紅外地球敏感器022
2.2.2太陽敏感器025
2.2.3紫外敏感器029
2.2.4星敏感器031
2.2.5陀螺035
2.2.6磁強計040
2.3絕對導航敏感器042
2.3.1慣性測量單元042
2.3.2衛星導航敏感器046
2.3.3光學導航敏感器046
2.3.4脈沖星導航敏感器047
2.4相對導航敏感器052
2.4.1微波雷達052
2.4.2激光雷達054
2.4.3光學成像敏感器055
2.4.4差分衛星導航敏感器057
2.5執行機構060
2.5.1飛輪060
2.5.2控制力矩陀螺062
2.5.3磁力矩器064
2.6驅動機構066
2.6.1太陽電池陣驅動裝置066
2.6.2天線驅動裝置068
2.6.3推力矢量調節裝置069
2.7推力器071
2.7.1推力器構成與特點071
2.7.2推力器主要技術指標072
2.7.3推力器的分類076
2.8星載計算機078
2.8.1星載計算機系統組成078
2.8.2星載計算機容錯體系結構081
2.8.3星載計算機的發展083
參考文獻085
第3章航天器軌道與軌道動力學087
3.1引言088
3.2時間系統和參考系089
3.2.1時間系統089
3.2.2坐標系092
3.2.3坐標系間的轉換關系094
3.3二體問題和三體問題097
3.3.1二體問題概述097
3.3.2二體軌道運動常數098
3.3.3二體軌道幾何方程100
3.3.4二體軌道幾何性質102
3.3.5圓型限制性三體問題104
3.3.6平動點106
3.4航天器軌道特性108
3.4.1軌道參數及轉換108
3.4.2星下點軌跡111
3.4.3發射窗口112
3.4.4地球同步軌道114
3.4.5太陽同步軌道114
3.4.6臨界和凍結軌道116
3.4.7回歸軌道117
3.4.8返回軌道117
3.4.9平動點軌道120
3.5軌道攝動方程及求解方法130
3.5.1密切軌道130
3.5.2Lagrange攝動方程131
3.5.3Gauss攝動方程132
3.5.4數值積分法133
3.5.5攝動法134
3.6軌道攝動源137
3.6.1地球非球形引力攝動137
3.6.2地球大氣阻力攝動140
3.6.3日月引力攝動140
3.6.4太陽光壓攝動141
3.6.5月球非球形引力攝動142
3.6.6火星非球形引力攝動143
3.6.7火星大氣阻力攝動143
3.7航天器相對運動145
3.7.1坐標系定義145
3.7.2相對運動方程146
3.8動力學定軌150
3.8.1初軌確定150
3.8.2精密定軌152
參考文獻158
第4章軌道控制159
4.1引言160
4.2軌道控制基礎161
4.2.1軌道控制方程161
4.2.2脈沖式推力控制163
4.2.3有限推力控制165
4.2.4最優軌道控制問題166
4.3近地軌道航天器軌道控制167
4.3.1低軌航天器攝動分析及軌道保持167
4.3.2高軌航天器攝動分析及軌道保持176
4.3.3高軌航天器軌道轉移194
4.4月球探測返回軌道控制199
4.4.1月球探測軌道動力學模型199
4.4.2月地返回軌道初步設計202
4.4.3月地返回軌道精確設計217
4.4.4月地轉移脈沖推力軌道控制223
4.5平動點軌道控制226
4.5.1目標軌道設計226
4.5.2平動點軌道保持234
4.6無拖曳控制239
4.6.1線性化解耦控制模型240
4.6.2無拖曳控制工作模式241
4.6.3加速度計模式下的航天器無拖曳控制242
參考文獻253
第5章航天器姿態運動學和動力學256
5.1引言257
5.2姿態及姿態運動學258
5.2.1姿態描述258
5.2.2姿態運動學262
5.3姿態動力學265
5.3.1剛體航天器姿態動力學265
5.3.2撓性航天器姿態動力學267
5.3.3充液航天器姿態動力學271
5.3.4多體航天器姿態動力學278
5.4空間環境干擾力矩293
5.4.1重力梯度力矩293
5.4.2太陽輻射力矩294
5.4.3氣動力矩295
5.4.4地磁力矩297
參考文獻299
第6章航天器姿態確定300
6.1引言301
6.2姿態敏感器誤差建模302
6.2.1陀螺隨機誤差建模302
6.2.2星敏感器測量誤差建模311
6.3幾何姿態確定方法314
6.3.1自旋衛星姿態確定314
6.3.2三軸穩定衛星姿態確定318
6.3.2姿態異常下自旋角速度確定323
6.4狀態估計姿態確定332
6.4.1自旋衛星姿態確定332
6.4.2基于太陽-地球測量的三軸穩定衛星姿態確定334
6.4.3基于星敏感器測量的三軸穩定衛星姿態確定338
6.5姿態敏感器相對誤差標定345
6.5.1星敏感器間相對基準標定346
6.5.2陀螺誤差標定355
6.6地面事后高精度姿態標校361
6.6.1陀螺常值漂移關系式361
6.6.2考慮低頻誤差時的陀螺等效常漂363
6.6.3陀螺等效常漂及星體角速度獲取364
6.6.4基于等效陀螺常值漂移的姿態校準方法366
6.6.5仿真驗證369
6.7對地成像要求的偏流角確定374
6.7.1成像坐標系374
6.7.2偏流角確定376
參考文獻380
第7章航天器姿態控制382
7.1引言383
7.2基于推力器的姿態控制384
7.2.1自旋衛星噴氣姿態控制384
7.2.2三軸穩定衛星噴氣姿態控制390
7.3基于角動量管理裝置的姿態控制398
7.3.1偏置動量航天器姿態穩定控制398
7.3.2零動量航天器姿態穩定控制409
7.3.3姿態機動控制415
7.4角動量管理裝置操縱策略440
7.4.1飛輪操縱策略440
7.4.2控制力矩陀螺操縱策略457
7.4.3混合執行機構操縱策略486
7.5充液航天器控制494
7.5.1控制模型494
7.5.2姿態控制器設計495
7.6多體航天器姿態控制500
7.6.1具有運動天線的姿態復合控制500
7.6.2組合體姿態復合控制510
參考文獻513
第8章航天器自主導航、制導與控制516
8.1引言517
8.2絕對自主導航518
8.2.1捷聯慣性與GPS組合導航518
8.2.2基于姿態敏感器的自主導航521
8.2.3基于脈沖星的自主導航524
8.2.4基于星間測量的星座自主導航527
8.3相對自主導航532
8.3.1相對狀態估計532
8.3.2自主定軌與相對狀態估計538
8.4交會對接制導與控制541
8.4.1飛行階段與任務要求541
8.4.2交會對接制導543
8.4.3交會對接控制546
8.5返回再入制導與控制551
8.5.1彈道式返回再入551
8.5.2彈道升力式返回再入552
8.5.3升力式返回再入554
8.5.4返回再入制導555
8.6地外天體軟著陸制導與控制560
8.6.1月球軟著陸560
8.6.2火星軟著陸566
8.6.3小行星軟著陸569
8.7星際飛行的制導與控制573
8.7.1星際飛行的基本概念573
8.7.2星際飛行的軌道轉移576
8.7.3星際飛行的制導與控制578
參考文獻580
索引583
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