New Trends in Astrodynamics and Applications III pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Belbruno, Edward 编

出品人:

页数:344

译者:

出版时间:2007-2

价格:$ 162.72

装帧:HRD

isbn号码:9780735403895

丛书系列:

图书标签:

• Astrodynamics
• Space Missions
• Orbital Mechanics
• Spacecraft Control
• Aerospace Engineering
• Guidance Navigation and Control
• Satellite Technology
• Space Exploration
• Trajectory Optimization
• Space Systems

《空间动力学与应用前沿：第四卷》图书简介 本书聚焦于天体动力学、轨道设计、航天器姿态控制以及深空探测任务规划等领域最新的理论突破、关键技术发展和实际应用案例。 本书导言：迈向星际与自主化的新纪元 随着人类对宇宙认知能力的不断深化以及航天技术进入快速迭代期，对空间动力学理论和实际应用的要求达到了前所未有的高度。传统的天体力学模型已难以完全解释或精确预测高精度、长时间尺度的复杂轨道行为，特别是在星际尺度、多体引力摄动显著的区域，以及需要高自主性与高鲁棒性导航和控制系统的任务中。本卷汇集了来自全球顶尖研究机构的学者和工程师的最新研究成果，旨在为航天界提供一套前沿的理论框架和实用的工程解决方案，以应对未来十年内最具挑战性的航天任务需求。本书的结构设计旨在覆盖从基础理论的精炼到复杂系统的集成应用，确保读者能够全面把握当前领域的发展脉络。 --- 第一部分：高精度轨道动力学建模与摄动分析 本部分深入探讨了用于高精度轨道预测与长期稳定分析的核心数学模型与数值方法，特别关注了非保守力、相对论效应以及小型航天器特有的动力学挑战。 第一章：广义相对论效应在近地轨道中的精确建模 本章详细阐述了爱因斯坦广义相对论（GR）对高精度卫星轨道，尤其是高椭圆轨道和地球静止轨道（GEO）上的卫星，所产生的系统性偏差。内容涵盖了如何将GR的修正项（如Schwarzschild度和Kerr度规的近似解）有效地嵌入到经典的拉格朗日方程或牛顿运动方程中。讨论了在不同参考系（如质心系、地心系）之间进行坐标转换时，如何保持GR效应的协变性和一致性。特别分析了对未来导航卫星系统（如下一代GNSS）计时和定位精度影响的关键阈值，并提出了一种基于高效迭代求解器的修正动力学模型，该模型在保持计算效率的同时，将GR误差控制在皮秒级别。 第二章：微小航天器（SmallSats/CubeSats）的特有大气阻力与太阳光压模型 对于尺寸在10kg以下的微小卫星，大气阻力、热辐射和太阳光压等非引力摄动的影响不再是微扰，而是影响轨道寿命和精度的主要因素。本章构建了一种基于分子动力学理论的改进型大气阻力模型，该模型考虑了航天器表面材料的吸收/反射系数、迎角变化以及高层大气密度的实时波动（由太阳活动引发）。此外，深入探讨了针对非理想反射面（如多层隔热材料）的太阳光压模型，并展示了如何利用机器学习方法，基于历史飞行数据校准这些模型的参数，从而实现对CubeSat轨道预报误差的显著降低。 第三章：多体问题在高精度深空任务中的数值稳定性与收敛性分析 深空探测任务，如行星际飞船和系外行星采样任务，涉及三体、四体甚至更多天体的复杂引力场。本章聚焦于高阶数值积分器的性能比较，特别是Symplectic积分器和高阶Runge-Kutta（RK）方法在处理共振、近距离会合和引力弹弓效应时的表现。内容包括对Lyapunov指数的计算，用以评估轨道的长期混沌程度，以及提出了一种自适应步长控制策略，该策略能够根据当前行星相对位置和速度的敏感性动态调整积分步长，确保在保持计算资源可控的同时，达到任务所需的精度要求。 --- 第二部分：先进导航、制导与控制（GNC）技术 本部分的核心在于提升航天器在复杂环境下的自主决策能力、姿态保持的鲁棒性以及轨道机动的效率。 第四章：基于贝叶斯滤波器的实时轨道确定与不确定性量化 在深空或穿越小行星带等通信受限的环境中，依靠地面站的定期测距已无法满足任务需求。本章提出了一种扩展卡尔曼滤波（EKF）与粒子滤波（PF）相结合的混合贝叶斯框架，用于航天器自主实时轨道确定。重点讨论了如何有效地融合来自星敏感器、惯性测量单元（IMU）以及少量光学导航（OpNav）数据的多源异构信息。关键内容包括：如何对导航传感器系统的非高斯误差进行有效建模，以及如何利用后验概率分布来实时量化轨道预测的不确定性椭球，为后续的机动决策提供可靠的输入。 第五章：高动态任务中的姿态控制：智能反馈与光滑轨迹规划 针对需要快速机动、近距离交会对接或行星进入阶段的高动态姿态控制需求，本章引入了基于模型预测控制（MPC）的鲁棒姿态控制器。内容详细介绍了如何构建高保真度的非线性刚体动力学模型，并利用预测模型在线求解最优控制输入序列。为克服MPC计算量大的瓶颈，提出了一种基于神经网络预训练的稀疏优化求解器。此外，深入分析了在执行大角度机动时，如何通过优化转动序列（如四元数约束下的最小时间转动），以最小化燃料消耗和控制力矩的冲击，确保执行机构的寿命。 第六章：自主轨道机动规划与燃料优化策略 本章关注在不确定性环境中实现最优轨道转移的算法。研究了使用启发式搜索算法（如A和遗传算法）结合高精度动力学模型来寻找燃料最优的霍曼转移、双行星引力辅助机动。特别关注了“引力捕获”过程中的多目标优化问题，即同时最小化转移时间、转移成本（ΔV）以及轨道插入的精度要求。本章还首次提出了结合混沌动力学理论的“轨道稳定性阈值分析”，以避免航天器被困在不期望的长期不稳定轨道上。 --- 第三部分：新兴应用与未来任务的动力学挑战 本部分展望了空间技术的前沿应用，包括低轨星座的协同运作、行星际运输网络以及太空资源利用（ISRU）对动力学的潜在影响。 第七章：低地球轨道（LEO）巨型星座的长期稳定性与碰撞风险管理 随着数千颗卫星组成的巨型星座的部署，轨道拥堵和空间碎片防护成为首要挑战。本章利用图论和网络流理论来建模LEO环境。分析了星座内部和星座间不同轨道层之间的共振耦合效应，以及如何通过周期性的、小推力的轨道维持（Station-Keeping）策略来主动“平滑”星座的分布，从而最小化碰撞概率。内容还包括对特定“关键节点”卫星失效的敏感性分析，并设计了快速重构星座几何构型的应急轨道转移方案。 第八章：地月空间动力学：拉格朗日点（L点）的稳定性与资源利用潜力 地月系统是未来深空任务的中转站。本章深入分析了L1、L2点附近的周期轨道、Halo轨道和Lissajous轨道的动力学特性。重点讨论了如何利用这些点的“弱稳定边界”（WSB）进行燃料效率极高的物质（如月球水冰）转移。提出了在L2点附近建立长期空间观测站所需的姿态保持控制策略，以应对太阳/地球/月球三体摄动对望远镜指向精度的影响。 第九章：航天器间相对动力学：近距离操作与柔性结构体的控制 随着在轨服务（OOS）、维修和装配任务的增加，对航天器之间高精度相对运动的控制变得至关重要。本章构建了包含航天器柔性结构变形的耦合动力学模型，用于精确预测对接过程中的相对位置和速度。针对燃料限制，研究了基于光流和激光雷达测量的相对导航方法。此外，探讨了在进行燃料转移或捕获作业时，如何通过主动抑制航天器主体振动来确保操作工具的精度，这对于未来在太空中建造大型射电望远镜阵列至关重要。 --- 总结： 《空间动力学与应用前沿：第四卷》不仅是对现有技术的总结，更是对未来十年内航天工程所面临的理论瓶颈的积极回应。本书的技术深度和广度，使其成为从事高精度轨道设计、深空导航、复杂航天器控制以及空间态势感知的科研人员和高级工程师的必备参考资料。

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