航天器控制基础

这本教材将全面介绍航天器控制的基本概念、基本组成、数学模型、主要控制方法及其应用等。不仅使读者了解航天器控制领域的z新成果，同时理解这个领域未来的发展方向。另外，这本教材还将给出一些实例，帮助读者对这一领域有更加实际和深入的了解。通过学习这本教材，读者可以掌握这一领域的必要知识，为今后的进一步学习和研究打下良好的基础。本教材的内容正在相应的课程中进行讲授，其中部分内容体现目前研究项目中的z新科研成果。因此，这本教材将具有较高的学术价值和指导作用。

 

随着我国航天事业的发展，作为控制科学与工程的二级学科，导航、制导与控制专业近年来迅速发展，从事航天领域的导航与控制方面研究的人员也逐年增加。因此，笔者编写本书来帮助该专业的学生迅速、扎实地掌握该领域的基本知识，为今后从事这方面的研究工作打下基础。本书内容针对航天领域中航天器控制问题，分别介绍航天器的基本概念、数学建模、控制系统结构、主要控制算法、控制仿真、控制系统设计及其应用等知识。本书侧重基础知识的论述和工程素质的培养， 使学生在此基础上扩展相应知识并进行相关领域的研究。

张涛，男，工学博士。清华大学自动化系教授，博士生导师，自动化系党委书记。分别于1993年、1995年、1999年在清华大学自动化系获得工学学士、工学硕士和工学博士学位。2002年在日本国立佐贺大学获得第二个工学博士学位。曾先后在美国麻省理工学院、德国慕尼黑工业大学、日本国立佐贺大学和日本国立信息学研究所学习和工作近8年。主要研究兴趣为控制理论、人工智能、机器人学等。近十年来发表论文200余篇，其中SCI已收录40余篇，EI已收录120余篇，发表学术专著2部，译著3部，学术著作章节5部，主编教材2部，获得国内授权发明专利20余项，软件著作权5项。曾负责或参与国家863项目、国家973项目、国家自然科学基金、国家航空基金、国家航天支撑基金、*留学回国人员科研启动基金项目、国际合作与横向课题等30余项。

国际IEEE学会高级会员，国际AIAA学会会员，国际IFAC学会机器人工作委员会委员。中国人工智能学会理事，中国自动化学会专家咨询委员会副主任，中国自动化学会教育工作委员会秘书长，中国机械工业教育协会自动化学科教学委员会副主任委员，中国航空学会制导、导航与控制分会委员。

曾获得g家级教学成果奖、中国学位与研究生

第1章航天器概论

1.1航天器的基本概念及其发展历程

1.2航天器的分类及其基本组成

1.3航天器控制概述

1.4典型航天器介绍

1.4.1卫星导航系统

1.4.2月球探测器

1.4.3行星际探测器

1.4.4载人航天器

 

第2章航天器数学模型

2.1空间坐标系系统

2.1.1研究轨道运动的常用坐标系

2.1.2研究姿态运动的常用坐标系

2.1.3描述相对运动的坐标系

2.2航天器的轨道运动学和动力学

2.2.1轨道基本定律

2.2.2轨道力学和运动方程

2.2.3轨道几何特性

2.2.4轨道描述

2.2.5轨道摄动

2.3航天器的姿态运动学和动力学

2.3.1空间姿态变换

2.3.2姿态运动学和动力学

2.4空间环境干扰力矩分析

2.4.1气动力矩

2.4.2重力梯度力矩

2.4.3磁干扰力矩

2.4.4辐射力矩

 

第3章航天器控制系统结构

3.1系统组成与结构

3.2测量敏感器

3.2.1红外地球敏感器

3.2.2太阳敏感器

3.2.3星敏感器

3.2.4磁强计

3.2.5GPS

3.2.6陀螺

3.2.7加速度计

3.3执行机构

3.3.1喷气推进执行机构

3.3.2飞轮

3.3.3磁力矩器及其他执行机构

3.3.4执行机构小结

3.4星载计算机

3.4.1研究背景

3.4.2基本概念、原理和方法

3.4.3关键技术研究

3.4.4存在问题及应用前景

 

第4章航天器轨道

4.1航天器轨道确定

4.1.1初始轨道的设计

4.1.2轨道改进

4.1.3观测数据的预处理和精度分析

4.2航天器轨道控制概念

4.2.1火箭推进定律

4.2.2轨道控制方法

4.2.3轨道测量系统

4.2.4控制器

4.2.5推进分系统

4.3航天器轨道机动

4.3.1轨道机动的概念和分类

4.3.2推力及运动模型

4.4航天器轨道保持

4.4.1轨道保持的概念

4.4.2地球静止卫星的轨道保持

4.4.3太阳同步轨道卫星的轨道保持

4.4.4静止轨道多星共位位置保持

 

第5章航天器姿态控制

5.1航天器姿态确定

5.1.1姿态敏感器

5.1.2姿态确定的作用及意义

5.1.3航天器姿态确定算法

5.2航天器被动姿态控制

5.2.1自旋卫星的稳定性和章动性

5.2.2双自旋卫星稳定系统

5.2.3重力梯度稳定系统

5.2.4其他被动姿态稳定系统

5.3航天器主动姿态控制

5.3.1喷气推力姿态稳定原理

5.3.2航天器的喷气推力器系统

5.3.3飞轮姿态稳定原理

5.3.4零动量反作用轮三轴姿态稳定系统

5.3.5偏置动量轮三轴姿态稳定系统

5.4航天器姿态机动

5.4.1自旋稳定卫星的喷气姿态机动

5.4.2自旋稳定卫星磁线圈姿态机动

5.4.3航天器的姿态捕获

 

第6章航天器控制仿真

6.1航天器控制仿真基本原理

6.1.1航天器仿真技术分类

6.1.2国内外研究现状

6.2航天器控制计算机仿真

6.2.1系统功能设计

6.2.2系统结构设计

6.2.3数据库设计

6.3航天器控制计算机仿真案例

6.3.1动力学模块

6.3.2敏感器模块

6.3.3执行机构模块

6.3.4模型验证实例

6.4航天器控制物理仿真

 

第7章航天器控制系统设计与应用

7.1卫星控制系统设计

7.1.1卫星控制系统概述

7.1.2卫星姿态控制

7.1.3卫星轨道控制

7.2空间机器人控制系统设计及其挠性控制

7.2.1空间机器人概述

7.2.2空间机器人运动学与动力学

7.2.3空间机器人挠性控制

7.3载人飞船控制系统设计及再入返回控制

7.3.1航天器自主规划模型

7.3.2载人飞船飞行程序自主规划系统

7.3.3载人飞船的再入返回

7.4航天飞机控制系统设计及其再入着陆控制

7.4.1航天飞机概述

7.4.2航天飞机控制系统设计

7.4.3航天飞机再入着陆控制

7.5空间站控制系统设计及其交会对接控制

7.5.1空间站概述

7.5.2空间站发展历史

7.5.3空间站控制技术

7.5.4空间交会对接技术

 

参考文献

 

随着科技的发展，航天领域正在发生着巨大变化。航天器已经由过去单一的地球轨道卫星，逐步发展出各种类型，如宇宙飞船、空间站、空间机器人等。特别是近十年来，随着信息技术的迅猛发展，航天领域得到了巨大拓展。航天器正在为人类了解地球、探索太空发挥着巨大作用；航天器正在为人类社会发展提供着巨大支撑，为人类更好地生产生活提供着大量服务与保障。可以说，如果没有航天器人们今天的生活不会这么便利，没有航天器人们就不会创造出今天的巨大财富。

目前，由于航天任务越来越复杂，航天器也随之越来越复杂，功能越来越丰富，性能越来越高。航天器已经由单纯实现绕地飞行，实现天地通信等功能，逐步向新的更复杂的任务方向发展。例如，围绕其他天体飞行（如月球、火星、太阳、小行星等），并实施探测；建立空间站，使人类可以长期驻留太空进行科学实验；在其他天体表面驻留（如月球、火星等），并开展探测等。这一切推动了航天器控制技术在理论、方法和应用上的进展。航天器控制技术已成为当前科技领域发展的重要方向之一，国内许多高等院校和科研院所都在开展这一领域的研究。因此，对从事航天器控制领域研究与开发的人才需求与日俱增，关于航天器控制技术的教学也越来越引起人们的重视。

本书针对航天器控制领域人才培养需求，充分考虑航天器控制技术发展的特点，全面介绍了航天器的基本概念及其发展历程，航天器控制的主要基础理论与方法，包括航天器的数学模型、控制系统结构、姿态控制方法、轨道控制方法、控制仿真技术等。同时，根据航天器的不同类型，全面介绍了航天器控制的工程应用，具体包括卫星控制系统及其控制、空间机器人控制系统设计及其挠性控制、载人飞船控制系统设计及其再入返回控制、航天飞机控制系统设计及其再入着陆控制和空间站控制系统设计及其交会对接控制。通过上述内容，使读者对航天器控制领域的内容有全面的了解，打下良好的工程基础。

全书共有8章。第1章是航天器概论，主要介绍航天器的基本概念及其发展历程、分类及其基本组成、航天器控制概念以及典型航天器。第2章介绍航天器数学模型，包括空间坐标系系统、航天器的轨道运动学和动力学、航天器的姿态运动学和动力学以及空间环境干扰力矩分析。第3章介绍航天器控制系统结构，包括系统组成与结构、测量敏感器、执行机构和航天器控制计算机。第4章介绍航天器轨道控制技术，包括航天器轨道确定、轨道控制、轨道机动以及轨道保持。第5章介绍航天器姿态控制技术，包括航天器姿态确定、被动姿态控制、主动姿态稳定控制以及姿态机动。第6章介绍航天器控制仿真技术，包括航天器控制仿真基本原理、计算机仿真、计算机仿真案例以及物理仿真。第7章介绍航天器控制系统设计与应用，包括卫星控制系统及其控制、空间机器人控制系统设计及其挠性控制、载人飞船控制系统设计及其再入返回控制、航天飞机控制系统设计及其再入着陆控制和空间站控制系统设计及其交会对接控制。第8章是结束语。

张涛教授编写了第1、2、3、4、7、8章，王学谦教授编写了第6章，刘宜成副教授编写了第5章。另外，还要感谢翟坤博士、孟强博士、陈章博士、徐利民博士、陶佳伟博士、牟方厉博士等对本书的编写作出的贡献。

本书配套的还有授课使用的电子教案，可供读者学习或教师教学使用。

感谢清华大学出版社的赵凯老师对本书的热情支持和认真审校。

由于航天器控制技术发展很快，尽管作者尽力在本书中包含了许多新的内容，但仍然会遗漏许多新的思想、方法和不断涌现的系统。由于作者水平有限，书中不足之处在所难免，敬请读者批评指正。

作者

2020年于1月北京清华园