深空探測動力學與控制

深空探測動力學與控制

《深空探測動力學與控制》是2014年清華大學出版社出版的圖書,作者是李俊峰、寶音賀西、蔣方華。

基本介紹

  • 中文名:深空探測動力學與控制  
  • 作者:李俊峰、寶音賀西、蔣方華
  • 出版社:清華大學出版社
  • 出版時間:2014年9月1日 
  • 定價:128 元
  • ISBN:9787302345442
前言,目錄,

前言

自1959年蘇聯成功發射了“月球”2號探測器以來,世界各國發射的包括月球探測器在內的深空探測器達到了240多顆。經過20世紀80年代短暫的低潮後,進入21世紀,航天界迎來了第二次深空探測熱潮。與此同時,我國成功發射了“嫦娥”系列月球探測器,提出了以月球探測為突破口,開展深空探測活動的策略,對火星及更遠天體的探測正在論證和規劃。早期的深空探測器軌道控制與設計方法基於的動力學模型是簡單的二體模型,軌道推進使用可等效為脈衝的大推力化學推進。然而,第二次深空探測熱潮更加強調方案和技術的創新,如提出了拉格朗日點附近的周期軌道、懸浮軌道、兩個天體的引力平衡點附近飛行的暈軌道等多種新型的任務軌道; 在軌道推進上青睞更高效的方式,如採用產生連續小推力的離子電推進技術、巧妙利用行星引力輔助、探索太陽帆和磁帆等新概念飛行器; 傾向於多種類型的導航技術,如大功率地面測控技術和自主導航技術; 探測目標的選擇更加廣泛,如近地小行星、柯伊伯帶小天體等,及一次探測多個目標的多任務探測。這些新型的任務軌道和推進方式可以以較低的成本實現更多的任務,相應的軌道動力學研究涉及N體系統、不規則弱引力場特性等,還需要研究連續推力作用下的軌道設計與控制方法等。
作者團隊近20年來一直從事太空飛行器動力學與控制方面的研究工作,前期主要針對的是近地太空飛行器,近10年來轉向深空探測。本書是作者團隊近10年在深空探測動力學與控制方面研究成果的系統總結,其中主要包括了4位教師、8位博士研究生和5位碩士研究生的研究成果。全書由11章內容組成。第0章是緒論,是整書的引導和概要介紹,為了方便讀者閱讀本書各個章節的專題內容,以綜述的形式集中介紹了共性基礎,及其與本書重點研究問題的關係。除緒論外,每一章都是一個專題研究。
第1章以火星探測任務為背景,系統地研究並介紹脈衝推進模型下行星探測軌道最佳化設計方法。第2章以光學自主導航為例,系統地研究並介紹深空自主導航的基本概念和方法。第3章系統地研究引力輔助技術,其中有複雜的最佳化問題迄今尚未徹底解決。第4~6章研究連續推力模型下的深空軌跡最佳化方法,這是近幾年國際上的熱點問題,也是理論上尚未完全解決的難題。其中第4章介紹基本方法; 第5章研究與同倫方法相結合的間接最佳化法; 第6章研究運用偽普法的直接最佳化法。第7章研究小行星附近不規則引力場中的軌道理論,這是近年新興起的課題,也是尚未形成完整理論體系的問題。第8章研究小行星探測制導與控制問題,給出附著、伴飛和飛越探測制導與控制的典型方法。第9章研究三體問題中軌道問題,包括拉格朗日點附近的軌道理論,以及與其相關的不變流形及其之上的軌道設計方法。第10章研究太陽帆飛行器新型任務軌道,給出逆向軌道、雙逆向軌道等若干種新型軌道。
本書的緒論由李俊峰、寶音賀西編寫,第1章由李俊峰、李軍鋒編寫,第2章由寶音賀西、崔文編寫,第3章由李俊峰、陳楊編寫,第4章由寶音賀西、蔣方華、郭鐵丁編寫,第5章由蔣方華、李俊峰編寫,第6章由李俊峰、郭鐵丁、蔣方華編寫,第7章由寶音賀西、于洋編寫,第8章由寶音賀西、陳楊編寫,第9章由龔勝平、寶音賀西編寫,第10章由李俊峰、曾祥遠編寫。書中的算例一部分由龔勝平博士和蔣方華博士完成,另一部分由研究生陳楊、于洋、郭鐵丁、曾祥遠、崔文、李軍鋒完成。全書統稿由李俊峰、寶音賀西、蔣方華負責。

目錄

第0章緒論
0.1深空探測的意義
0.2深空探測概況
0.3深空探測動力學與控制新問題
0.4本書的內容
0.4.1脈衝推進和連續小推力軌道設計
0.4.2深空探測自主導航技術
0.4.3引力輔助技術及其在深空探測中的套用
0.4.4小行星附近的軌道及軌道控制
0.4.5拉格朗日點周圍的軌道
0.4.6不變流形及其在深空探測中的套用
0.4.7太陽帆太空飛行器在深空探測中的套用
參考文獻
第1章脈衝推進深空探測軌道設計
1.1引言
1.1.1國外火星探測情況
1.1.2本章內容和方法
1.2轉移軌道初步設計
1.2.1日心軌道設計和發射視窗選擇
1.2.2地心段參數設計
1.2.3火心段參數設計
1.3精確模型下軌道參數修正
1.4中途修正
1.4.1國外深空任務中途修正案例
1.4.2中途修正的理論基礎
1.4.3日心段中途修正策略
1.4.4中途修正策略仿真及分析
1.5捕獲控制
1.5.1行星捕獲問題
1.5.2燃料最優捕獲策略
1.5.3其他推力模型捕獲參數最佳化問題
1.5.4誤差分析
1.6本章小結
參考文獻
第2章深空探測光學自主導航
2.1引言
2.1.1深空導航的發展概況
2.1.2深空自主導航系統中的光學敏感器
2.1.3主要研究方法
2.2深空探測自主導航建模及算法
2.2.1時間及坐標系統
2.2.2巡航段動力學模型
2.2.3接近段動力學模型
2.2.4光學自主導航觀測模型
2.2.5濾波算法
2.3火星探測巡航段的光學自主導航方法
2.3.1火星探測巡航段的標稱軌道
2.3.2巡航段中的光學自主導航原理
2.3.3導航小行星篩選
2.3.4仿真計算及分析
2.4火星探測接近段中的光學自主導航方法
2.4.1火星探測接近段的標稱軌道
2.4.2導航系統在接近段的可觀測性
2.4.3仿真計算及分析
2.5本章小結
參考文獻
第3章深空探測引力輔助
3.1引言
3.2行星引力輔助的原理
3.2.1引力輔助簡化模型
3.2.2動力甩擺
3.2.3引力輔助軌道設計與最佳化方法
3.2.4引力輔助作用效果分析
3.2.5共振借力軌道及其套用
3.3引力輔助方式選擇與軌道設計
3.3.1近地小行星探測
3.3.2主帶小行星探測
3.3.3木星探測
3.4精確動力學模型中的引力輔助
3.4.1簡單模型中的軌道初步設計
3.4.2精確動力學模型中的軌道修正
3.4.3設計算例與分析
3.4.4小結
參考文獻
第4章連續推力深空探測軌道設計
4.1引言
4.2直接法
4.2.1研究現狀
4.2.2軌跡最佳化設計的直接法
4.3間接法
4.3.1研究現狀
4.3.2軌跡最佳化設計的間接法
4.3.3間接法套用於深空軌道設計算例
4.4混合法
4.5本章小結
參考文獻
第5章連續推力軌跡最佳化的同倫方法
5.1連續推力軌跡最佳化與設計技術現狀
5.2深空探測最佳化問題
5.2.1時間最優問題
5.2.2燃料最優問題
5.3約束處理
5.3.1端點時間和狀態給定的約束
5.3.2初始時間和狀態受約束
5.3.3末端時間和狀態受約束
5.3.4中途飛越的內點約束
5.3.5中途交會的內點約束
5.3.6中途引力輔助的內點約束
5.4燃料最優問題同倫方法求解
5.4.1協態變數初值歸一化
5.4.2帶開關函式檢測的定步長積分
5.4.3運用粒子群最佳化算法的全局最佳化
5.4.4非線性方程求解和求解策略總結
5.5引力輔助的脈衝估計
5.6數值算例
5.6.1從地球到金星的交會問題
5.6.2從地球到木星並利用火星引力輔助的交會問題
5.6.3長任務時間的近地軌道轉移
5.7本章小結
參考文獻
第6章連續推力軌跡最佳化的偽普法
6.1引言
6.2偽譜法的理論基礎
6.2.1偽譜法的數學基礎: 函式/積分/微分的近似
6.2.2偽譜法的最佳化基礎: 非線性規劃問題與KKT條件
6.3偽譜離散的軌跡最佳化問題
6.3.1連續小推力軌跡最佳化
6.3.2時間域離散與微分矩陣
6.3.3偽譜離散的軌跡最佳化問題
6.3.4非線性規劃問題及其KKT條件
6.4乘子等價映射與偽譜法套用
6.4.1最優控制與兩點邊值問題
6.4.2軌跡最佳化中的乘子等價映射
6.4.3關於乘子等價映射的討論
6.4.4偽譜法求解能量最優軌跡
6.5偽譜同倫混合方法與BangBang控制
6.5.1偽譜法求解燃料最優軌跡的困難
6.5.2同倫技術的初始化困難
6.5.3偽譜同倫混合方法
6.5.4偽譜同倫混合法求解燃料最優軌跡
6.6分塊偽譜法及乘子等價映射的推廣
6.6.1含時變內點約束的軌跡最佳化問題
6.6.2分塊偽譜法及其非線性規劃問題
6.6.3基於偽譜格線的離散多點邊值問題
6.6.4含時變內點約束的乘子等價映射
6.6.5分塊偽譜法及其乘子映射的套用
6.7本章小結
參考文獻
第7章小行星附近的軌道
7.1引言
7.2小行星附近的力學環境
7.2.1軌道分布
7.2.2引力作用範圍
7.2.3軌道運動方程
7.3小行星引力場描述方法
7.3.1質點群方法
7.3.2球諧函式方法
7.3.3多面體方法
7.3.4三種方法的比較
7.4小行星附近軌道平衡點與不變流形
7.4.1(216)Kleopatra模型
7.4.2運動方程和守恆量
7.4.3平衡點
7.4.4局部流形
7.4.5平衡點附近的周期軌道
7.5小行星附近的周期軌道
7.5.1周期軌道的拓撲類型
7.5.2三維周期軌道的搜尋方法
7.5.3算例: (216)Kleopatra
7.6軌道共振與穩定性
7.6.1共振軌道的能量方程
7.6.2共振條件
7.6.3拋射軌道的機率分布
7.7本章小結
參考文獻
第8章小行星探測制導與控制
8.1引言
8.2小行星伴飛的常值推力控制
8.2.1探測器的軌道動力學
8.2.2常值小推力控制律設計
8.2.3仿真算例
8.3小行星附著的視線制導律
8.3.1坐標系統
8.3.2動力學方程
8.3.3滑模製導律
8.3.4算例
8.4小行星著陸、起飛燃料最優控制
8.4.1動力學方程
8.4.2著陸過程燃料最優控制
8.4.3起飛過程中的燃料最優控制問題
8.5小行星飛越軌道控制分析
8.5.1任務情況
8.5.2基本模型
8.5.3中途修正分析
8.5.4光照條件分析
8.5.5成像姿態調整分析
8.5.6測控約束分析
8.5.7星上數據存儲和傳輸能力
8.5.8小行星定軌與星曆精度
參考文獻
第9章限制性三體問題中的軌道動力學與控制
9.1引言
9.2圓形限制性三體問題
9.3拉格朗日點附近的編隊
9.3.1Halo軌道附近的編隊控制
9.3.2Halo附近的編隊重構
9.4基於不變流形的登月軌道設計
9.4.1軌道設計過程
9.4.2能量分析
9.5本章小結
參考文獻
附錄A
第10章太陽帆太空飛行器逆行軌道
10.1太陽帆太空飛行器深空探測
10.2角動量翻轉逆向軌道
10.2.1平面運動方程的建立
10.2.2速度圖
10.2.3平面逆向軌道可行域
10.3逆向軌道新套用
10.3.1雙逆向周期軌道
10.3.2日心逆向轉移軌道
10.3.3撞擊近地小行星
10.4三維雙逆向周期軌道
10.4.1第一類三維逆向軌道
10.4.2第二類三維逆向軌道
10.4.3第二類三維軌道特性
10.5恆星際探測軌道設計與最佳化
10.5.1恆星際100 AU探測任務
10.5.2軌道發射視窗
10.5.3局部最優軌跡
10.6本章小結
參考文獻

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