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出版者:国防工业出版社

作者:吴忠强

出品人:

页数:269

译者:

出版时间:2004-7-1

价格:23.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787118035216

丛书系列:

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好的，这是一本名为《航天器姿态动力学与控制》的图书简介： --- 《航天器姿态动力学与控制》 导言：进入深空与精准在轨的基石 在浩瀚无垠的宇宙中，航天器的姿态（Orientation）是其执行任务、保持通信、精准观测和安全返回的关键要素。无论是环绕地球的高精度对地观测卫星，还是飞往遥远行星际空间探测器，其姿态的稳定与准确控制，直接决定了任务的成败。本书《航天器姿态动力学与控制》深入剖析了驱动航天器姿态运动的物理规律，并系统构建了实现精确姿态控制的理论与工程方法。它面向航空航天工程、控制科学与工程、物理学及相关交叉学科的研究人员、工程师和高年级本科生及研究生。 本书的撰写基于严谨的物理学基础和现代控制理论，旨在提供一个全面、深入且具有工程实践指导意义的知识体系，涵盖了从基础理论推导到复杂系统建模、从经典控制算法到先进智能控制策略的全过程。 第一部分：基础理论与动力学建模（奠定物理基础） 本部分聚焦于描述航天器姿态运动的基本数学工具和物理模型，为后续的控制设计提供坚实的基础。 第一章：姿态描述与变换 姿态描述是航天器动力学分析的起点。本章详细介绍了描述刚体空间姿态的各种数学表示方法及其相互转化。内容包括： 1. 欧拉角（Euler Angles）：深入探讨其在姿态表示中的应用与局限性，特别是“万向节死锁”（Gimbal Lock）问题的物理根源与数学处理。 2. 旋转矩阵（Rotation Matrices）：基于正交矩阵的性质，阐述其在惯性系与体坐标系转换中的作用，并讨论其群论基础。 3. 四元数（Quaternions）：作为现代姿态估计与控制中最常用的工具，详细推导四元数的定义、单位四元数表示、四元数微分方程（微分运动方程）的建立，以及四元数与旋转矩阵、欧拉角之间的精确转换公式。 4. 欧拉轴（Euler Axis/Angle Pair）：描述瞬时旋转的概念及其在动力学分析中的应用。 第二章：刚体动力学基础 本章将牛顿-欧拉定律应用于描述航天器在轨道上的姿态运动。 1. 惯性、质心与转动惯量：详细介绍刚体惯性张量（Inertia Tensor）的计算方法，包括如何通过离散质量元或连续密度分布计算惯性矩阵，以及主惯性轴的概念。 2. 牛顿-欧拉方程：推导并分析基于牛顿第二定律（质心运动）和欧拉动力学方程（绕质心转动）的完整运动学方程组。重点讨论在无外部力矩作用下的自由运动（如陀螺运动）。 3. 耦合效应分析：分析航天器非对称惯性、轨道动力学（如地球非球形引力、大气阻力）与姿态动力学之间的耦合关系，建立完整的耦合动力学模型。 第三章：外部扰动力矩分析 航天器姿态控制的难点在于精确建模并补偿外部环境施加的扰动力矩。本章系统梳理了主要的地基和深空扰动源： 1. 地球引力矩（Gravity Gradient Torque）：推导由于地球非均匀引力场引起的力矩，并分析其对不同轨道（近圆、椭圆）上卫星姿态的影响。 2. 大气阻力矩（Aerodynamic Torque）：针对低轨航天器，分析空气动力中心与质心偏离导致的阻力矩模型，及其对轨道衰减和姿态稳定的影响。 3. 太阳辐射压力矩（Solar Radiation Pressure Torque）：建立基于光压系数、受光面积和光压作用点与质心距离的力矩模型，尤其对远日点探测器至关重要。 4. 磁力矩（Magnetic Torque）：分析地球磁场与航天器自身磁矩相互作用产生的力矩，以及在磁力矩器控制中的作用。 第二部分：姿态估计与状态观测（获取准确信息） 精确的姿态估计是有效控制的前提。本部分关注如何从传感器数据中可靠地推算出当前姿态、姿态角速率及未知参数。 第四章：传感器原理与数据预处理 介绍航天器姿态确定中常用的测量设备： 1. 惯性传感器：陀螺仪（测量角速度）和加速度计的工作原理，误差模型（漂移、随机游走）。 2. 地标传感器：星敏感器（Star Trackers）、太阳敏感器（Sun Sensors）和地球敏感器（Earth Horizon Sensors）的测量原理、精度及获取的观测向量。 3. 磁力矩器与磁强计：磁传感器的数据采集与预处理。 第五章：姿态估计与滤波理论 本章是姿态估计的核心，重点介绍融合多源异构数据的最优估计方法。 1. 卡尔曼滤波（Kalman Filter, KF）：推导线性系统的最优估计器，并详细讨论如何将非线性姿态动力学线性化（如雅可比线性化）以应用于扩展卡尔曼滤波（EKF）。 2. 无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter, UKF）：介绍使用Sigma点方法处理非线性系统，避免复杂的雅可比矩阵计算，提高估计精度。 3. 迭代容错估计（Iterative Closest Point, ICP）与基于观测量的估计：介绍确定性估计方法，如QUEST算法，用于基于向量观测值（如星光矢量）的快速、闭环姿态解算。 第三部分：姿态控制律设计（实现精确机动与保持） 本部分是全书的重点，系统地介绍了实现姿态控制的经典与现代方法，以及执行器的作用。 第六章：执行器模型与控制力矩生成 介绍用于产生控制力矩的执行机构： 1. 反应轮（Reaction Wheels）与动量轮（Momentum Wheels）：详细分析其工作原理、饱和限制、摩擦力矩以及在三轴稳定控制中的作用。 2. 磁力矩器（Magnetorquers）：分析其产生力矩的机制，尤其在清除反应轮积累的扰动动量（Dump Momentum）中的应用。 3. 推力器（Thrusters）：在轨道机动和高精度姿态调整中的脉冲控制模型。 第七章：经典姿态控制方法 本章构建了传统反馈控制的设计框架，主要针对线性化后的误差模型。 1. PID 控制器：推导姿态误差、速率误差与控制输入的比例、积分、微分增益的整定方法，特别是在阻尼和稳态精度方面的作用。 2. 李雅普诺夫稳定性分析：使用第二法（直接法）论证基于能量函数的控制器（如二次型李雅普诺夫函数）的全局渐近稳定性。 3. 线性二次型调节器（LQR）：系统地推导最优状态反馈控制律，并探讨权重矩阵的选择对控制性能（功耗与响应速度）的权衡。 第八章：先进姿态控制策略 面对强非线性、约束条件和复杂环境，本章介绍了更鲁棒、高效的现代控制技术。 1. 滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）：设计具有对模型不确定性和外部扰动高鲁棒性的控制律，重点分析趋近律的设计以避免抖振问题。 2. 反馈线性化与输入输出线性化：针对非线性的姿态动力学，采用微分几何方法，通过坐标变换和状态反馈将非线性系统转化为线性系统进行控制设计。 3. 自适应与鲁棒控制：设计能够在线估计或补偿模型参数不确定性的控制器，保证在轨道参数变化时仍能维持性能。 4. 智能与学习控制基础：简要介绍神经网络或强化学习在姿态轨迹跟踪与最优控制序列生成中的初步应用探讨。 第四部分：特殊任务控制与仿真验证（工程实践导向） 最后一部分将理论与实际工程紧密结合，讨论特定任务场景下的控制挑战。 第九章：姿态机动与轨迹跟踪 1. 最优姿态机动：基于Pontryagin极小值原理，分析如何设计能耗最小或时间最短的姿态转位轨迹。 2. 轨道机动与姿态耦合：在进行大的轨道推力机动时，如何同步设计姿态保持或跟踪策略，以应对推力导致的复杂姿态瞬变。 第十章：仿真、验证与地面测试 1. 高精度仿真环境构建：介绍如何利用数值积分方法（如Runge-Kutta）建立包含非线性扰动、传感器噪声和执行器非理想特性的高保真仿真模型。 2. 硬件在环（Hardware-in-the-Loop, HIL）测试：阐述将实际飞控硬件接入仿真环境进行验证的关键流程和标准，确保地面设计能够可靠地在轨运行。 3. 故障诊断与容错控制：讨论传感器失效、执行器卡死等异常情况下的状态重构与切换控制策略。 总结与展望 《航天器姿态动力学与控制》提供了一套从物理建模到算法实现的完整闭环解决方案。它强调数学严谨性与工程实用性的统一，确保读者不仅理解“如何做”，更深刻理解“为何要这样做”。本书的知识体系为未来高难度深空探测、超高精度对地观测以及未来空间站的自主姿态管理提供了坚实的理论支撑。 --- 关键词： 姿态描述、四元数、惯性张量、牛顿-欧拉方程、扰动力矩、卡尔曼滤波、星敏感器、反应轮、LQR、滑模控制、最优机动。

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读完《现代光学导论》，我感觉自己仿佛进入了一个全新的、由光子构筑的奇妙世界。这本书的叙事方式非常优雅，它没有一开始就堆砌那些复杂的菲涅尔衍射和傅里叶光学公式，而是从光的本质——电磁波的传播特性开始娓娓道来。作者对于光与物质相互作用的阐述尤其到位，特别是关于光在晶体中双折射现象的解释，配上那些精美的三维晶体结构图，即便是最晦涩的理论也变得触手可及。我特别欣赏它在介绍激光原理时所采用的逻辑链条，从受激辐射的量子力学基础，到光腔的谐振条件，每一步的过渡都自然得像是水到渠成。书里对非线性光学现象的探讨也极其前沿和深入，提及了诸如参量下转换等尖端技术，让人看到了光学在量子信息等未来科技中的巨大潜力。总体来说，这本书的学术深度是毋庸置疑的，但它更像是一位耐心的导师，引导你一步步揭开光学的神秘面纱，而不是简单地罗列公式和实验结果。

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《材料科学基础与性能》这本书，以一种近乎哲学的角度探讨了物质的微观结构如何决定其宏观特性，读起来酣畅淋漓，令人深思。它不仅仅是关于金属、陶瓷和聚合物的简单分类介绍，而是深入到了晶体缺陷、相变动力学这些核心概念。例如，在描述金属的塑性变形时，作者细致入微地剖析了位错理论，并将其与加工硬化、蠕变等实际工程问题联系起来，让人理解了为什么有些材料坚硬如铁，有些却能承受巨大的拉伸而不崩断。书中的热力学分析部分也非常精彩，它将相图的绘制与吉布斯自由能的变化紧密耦合，使得相平衡不再是一个需要死记硬背的图形，而是能量最低原理的必然结果。我对其中关于复合材料界面研究的章节尤为推崇，它不仅介绍了纤维和基体的选择，更探讨了如何通过界面设计来调控材料的韧性和强度，这体现了材料设计从“发现”到“创造”的转变。这本书的深度和广度，使其成为材料领域不可多得的经典之作。

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《高等概率论与随机过程》这本书，是我遇到的最严谨、也最有挑战性的一本概率论教材。它开篇就奠定了测度论的坚实基础，作者对$sigma$-代数、可测函数以及勒贝格积分的讲解，逻辑链条环环相扣，丝毫没有含糊其辞，这对于真正想掌握随机现象数学本质的人来说，是至关重要的铺垫。当进入随机过程的章节后，马尔可夫链的遍历性分析、鞅论的引入，都展现了作者深厚的学术功底。我特别喜欢它在解释布朗运动时所采用的极限定理方法，这种从微观随机行走到宏观连续运动的过渡处理得非常巧妙。这本书的难度不低，对于没有扎实的实分析基础的读者来说，阅读起来会有些吃力，但它所提供的理论深度是无与伦比的。它真正教会了我们如何从随机性的深渊中提炼出可预测的、优雅的数学结构，是理论研究者和金融工程领域高级分析师必备的工具书。

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这本《流体力学基础》简直是工科学生的救星！我之前对流体运动的理解总是停留在“水往低处流”这种非常表层的概念上，看到那些复杂的偏微分方程就头大。但是这本书，它真的把抽象的理论用非常生动的方式呈现了出来。特别是关于伯努利方程的推导和应用那一章，作者没有直接丢出公式，而是通过一个经典的飞机机翼升力模型的建立过程，让我真切地体会到了压力差是如何产生升力的，那种“豁然开朗”的感觉太美妙了。而且，书里大量的工程实例，比如管道设计中的摩擦损失计算、泵和涡轮机的选型，都极其贴近实际工作场景。阅读体验上，它的排版也很舒服，图表清晰明了，即便是初次接触，也不会被密密麻麻的文字淹没。我记得有一次为了解决一个关于水库泄洪洞口的设计问题，翻阅了这本书中关于非恒定流动的章节，里面的数值模拟方法介绍得深入浅出，让我对如何进行瞬态分析有了一个全新的认识。这本书的价值不仅仅在于传授知识，更在于培养了我们用物理直觉去分析工程问题的能力，强烈推荐给所有涉及流体相关领域的工程师和学生。

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这本《数字信号处理——理论与实践》对我来说，简直是打开了通信和电子工程领域的一把金钥匙。我之前学习DSP时，经常因为傅里叶变换的离散化和快速算法（FFT）的推导而感到头疼，觉得它们是孤立存在的数学工具。然而，这本书巧妙地将理论和应用紧密结合，它从采样定理出发，清晰地解释了为什么我们需要离散化信号，以及离散时间傅里叶变换（DTFT）和离散傅里叶变换（DFT）之间的内在联系。最让我印象深刻的是它在讨论滤波器设计时，没有局限于传统的窗函数法，而是花了大量篇幅讲解了现代的频率采样法和优化算法，这对于需要设计高性能音频处理或雷达系统的工程师来说，提供了非常实用的工具箱。此外，书中还穿插了大量的MATLAB/Simulink代码示例，读者可以即时验证理论模型的有效性，这种“边学边做”的学习方式极大地增强了学习的趣味性和有效性，避免了纯理论学习带来的枯燥感。

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