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出版者:宇航出版社

作者:屠善澄 编

出品人:

页数:476

译者:

出版时间:2006-8

价格:75.00元

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isbn号码:9787802181571

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空间飞行器姿态动力学与先进控制方法研究综述 本书聚焦于当代空间飞行器姿态动力学理论的前沿进展、复杂环境下的姿态动力学建模挑战，以及面向下一代航天任务所需的先进控制策略的系统性梳理与深入探讨。本书旨在为从事卫星、深空探测器、行星际飞船等航天器姿态动力学与控制的科研人员、工程技术人员以及高年级研究生提供一本全面、深入且具有前瞻性的参考著作。 --- 第一部分：空间飞行器姿态动力学的理论基础与拓展 本部分内容旨在夯实读者对经典姿态动力学理论的掌握，并拓展至更复杂的物理约束和动力学耦合场景。 第一章：刚体与柔性体姿态动力学基础 本章首先回顾牛顿-欧拉方程在不同坐标系下的表达形式，详细阐述欧拉角、四元数、轴角等姿态描述工具的优劣及其在数值积分中的应用。重点剖析角动量守恒原理在线性与非线性动力学分析中的核心地位。 随后，本章深入探讨空间飞行器柔性体的建模。分析了在轨大型结构（如太阳帆、桁架、天线阵列）的模态识别方法，如模态识别理论（Modal Identification Theory）与系统辨识技术。基于有限元（FEM）方法建立的柔性体动力学模型，如何通过模态截断（Mode Truncation）简化为有限维度的动力学方程，并探讨模态截断误差的量化分析方法。着重讲解了结构阻尼与结构非线性对姿态动力学的影响机理。 第二章：复杂外场载荷的精确建模 姿态动力学的精度高度依赖于对外场扰动力矩的精确描述。本章系统梳理了主要外场载荷的数学模型： 1. 地球引力矩模型： 详细介绍球谐函数展开法（Spherical Harmonics Expansion），特别是对非球对称性（J2、J3项）和近地轨道（LEO）特有摄动（如大气阻力）的建模。探讨了地球非均匀引力场导致的长期姿态稳定性问题。 2. 太阳辐射压力（SRP）模型： 建立基于光子动量传递的精确模型，考虑飞行器表面材料的反射率、吸收率和漫反射特性。分析了不同轨道高度和太阳入射角下SRP力矩的动态特性。 3. 磁力矩模型： 针对地磁场，采用国际地磁参考模型（如IGRF），分析磁力矩对地球同步轨道（GEO）和中地球轨道（MEO）卫星姿态稳定的作用。同时，对航天器自身磁矩（如电流、残留磁性）的补偿与抑制进行了数学描述。 4. 耦合效应分析： 探讨在轨道转移、变轨过程中，上述外场载荷随轨道参数变化而产生的复杂耦合效应。 第三章：非线性动力学分析与稳定性 本章聚焦于高阶非线性动力学系统的分析工具。引入李雅普诺夫稳定性理论（Lyapunov Stability Theory）及其在姿态系统中的应用，特别是直接法（First Method）与间接法（Second Method）的实际操作。运用庞加莱截面法（Poincaré Section）和分岔理论（Bifurcation Theory）来识别系统中可能出现的混沌行为（Chaos Dynamics）和周期性运动。对于受控系统，着重分析滑模控制、自适应控制等非线性控制方法引入后，系统稳定域的重新评估。 --- 第二部分：先进姿态动力学与任务特有挑战 本部分关注现代航天任务中出现的非传统姿态动力学问题，如多体系统、对接机构动力学、以及微重力环境下的特有现象。 第四章：对接、捕获与集群飞行器的耦合动力学 随着在轨服务（OOS）和空间组装任务的增加，飞行器之间的接触和相对运动成为关键。本章详细分析了： 1. 接触建模与冲击动力学： 采用赫兹接触模型（Hertzian Contact Model）结合粘滞-弹塑性（Viscoelastic-Plastic）阻尼来模拟刚体接触过程中的能量耗散。分析了对接瞬间的冲击载荷对两个体姿态和轨道耦合的影响。 2. 柔性机械臂的动力学： 建立多自由度（DOF）机械臂与本体的拉格朗日动力学耦合模型，重点研究机械臂运动对母船整体姿态的反馈抑制技术。 3. 编队飞行器相对姿态动力学： 采用基于相对坐标系的动力学方程，分析相对轨道摄动、相对制导律（Guidance Law）与相对姿态控制之间的相互作用。 第五章：旋转机械与内部动量交换的影响 对装有反应轮、动量轮、陀螺仪、磁力矩器（CMG/MR）的航天器，内部转子运动与外部姿态动力学是紧密耦合的。本章深入讨论了： 1. 反应轮饱和与去饱和策略： 分析反应轮转速变化如何通过陀螺效应耦合到姿态误差中。重点介绍基于脉冲序列的饱和规避算法和最优转速分配策略。 2. CMG的奇异性分析： 详细推导并分析了固定轴CMG和任意轴CMG的力矩输出奇异（Singularity）条件，并研究了奇异点附近的力矩传递矩阵（G-Matrix）的条件数对控制性能的影响。 3. 轴承摩擦与微振动： 讨论了旋转机械的摩擦模型（如洛德-欧尔森模型）对微小振动（Microvibrations）的影响，以及这些振动如何通过柔性结构传递并干扰高精度姿态敏感载荷。 第六章：月球与行星际探测器姿态动力学特有性 针对地外空间任务，本章探讨了不同引力场环境下的动力学特征： 1. 非中心力场下的姿态控制： 在高精度轨道（如环月、近火轨道）下，非中心引力摄动导致的姿态漂移特征。 2. 着陆器动力学： 研究下降段大气制动、主发动机点火、触地过程中的高过载、高耦合动力学问题。建立基于推力向量控制（TVC）的着陆器姿态动态模型。 3. 返回器再入大气层： 耦合气动弹性力学（Aeroelasticity）与气动外形变化对姿态控制的影响，特别是超声速和跨声速区域的动态稳定性分析。 --- 第三部分：面向复杂环境的先进姿态控制理论 本部分聚焦于如何设计鲁棒、高精度和高效率的姿态控制系统，以应对上述动力学挑战。 第七章：鲁棒性与最优控制方法 本章探讨如何保证系统在模型不确定性和外部扰动下的性能： 1. $mathcal{H}_{infty}$ 控制设计： 采用频率域方法设计控制律，以最小化最坏情况下的扰动影响。详细介绍加权函数的设计原则，以平衡姿态精度和作动器限制。 2. 滑模变结构控制（SMC）： 阐述SMC在抑制参数摄动和外部载荷方面的优势。重点分析二阶滑模与高阶滑模（Higher-Order SMC, HOSMC）在解决抖振（Chattering）问题上的最新进展。 3. 线性二次高斯（LQG）与LQR： 重新审视线性化模型下的最优控制，特别是在精确的外部载荷模型支持下，如何通过LQR精确平衡姿态误差权重与控制力矩消耗。 第八章：自适应与学习型控制技术 针对系统参数（如质量、惯量、阻尼系数）随时间变化的任务（如燃料消耗、结构展开、货物释放），自适应控制成为必要： 1. 参数辨识与自适应律： 采用基于梯度下降或投影算法的在线参数估计方法，实时更新飞行器的动力学参数。 2. 基于模型参考的自适应控制（MRAC）： 设计参考模型来定义理想的性能指标，并设计反馈控制器，使实际系统渐近跟踪参考模型的输出。 3. 增强鲁棒性的自适应控制： 结合Lyapunov稳定性理论，确保在参数估计误差存在时，闭环系统整体仍保持稳定。 第九章：高精度姿态测量与融合技术 姿态控制的精度瓶颈往往在于测量环节。本章探讨了高精度姿态传感器的原理及其信息融合： 1. 新型传感器的应用： 介绍激光雷达（LiDAR）在自主导航与相对姿态测量中的应用，以及高精度惯性测量单元（IMU）的噪声特性与标度因子误差的校正。 2. 扩展卡尔曼滤波（EKF）与无迹卡尔曼滤波（UKF）： 详细推导这两种非线性滤波算法在姿态估计中的具体步骤，重点分析其在多模态传感器数据（如星敏感器、GPS、IMU）异步采样下的数据融合策略。 3. 基于学习的姿态估计： 探讨卷积神经网络（CNN）或循环神经网络（RNN）在处理复杂噪声环境下的星图识别和姿态解算中的潜力，以及其计算效率的权衡。 --- 本书的特点在于将空间飞行器姿态动力学的“模型建立、环境耦合、控制设计”三大核心环节进行系统化整合，并以前沿的非线性、鲁棒性和学习型控制理论来应对当代空间任务对精度和自主性的严苛要求。

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这本书给我的一个显著印象是，它在“故障诊断与容错控制”方面进行了非常深入的探讨，这对于保障卫星在轨任务的可靠性和生存能力至关重要。在长期的太空任务中，卫星系统面临着各种潜在的故障，例如执行机构损坏、传感器失效、通信中断等。如果不能及时有效地检测和处理这些故障，可能会导致任务失败甚至卫星报废。我非常期待书中能够详细介绍各种故障诊断的方法，例如基于模型的方法、基于数据的方法以及基于专家系统的方法，并阐述如何利用这些方法来识别不同类型的故障。更重要的是，我希望书中能够系统地介绍容错控制策略，例如如何通过重构控制律、切换到备用控制器或者改变任务模式，来维持卫星的基本功能，并在一定程度上完成任务。书中是否会涉及一些关于“模糊逻辑”或“神经网络”在故障诊断和容错控制中的应用？这些人工智能技术在处理不确定性和非线性故障方面具有独特的优势。此外，我也对书中关于“安全性和可靠性分析”的论述很感兴趣，例如如何量化不同故障模式对卫星任务成功率的影响，以及如何通过设计冗余系统或采取额外的安全措施来提高系统的整体可靠性。

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这是一本我一直期待的，关于“卫星姿态动力学与控制”领域的深度探索之作，从书名“卫星姿态动力学与控制(4)”来看，它很可能承载了前几卷的精华，并在此基础上进行了更深入、更系统的理论拓展和技术革新。我尤其关注书中关于复杂姿态机动策略的论述，例如如何在有限的燃料和时间内，实现多轴快速、精确的指向，这对于空间探测任务、天文观测以及地球观测等至关重要。现代卫星面临着日益复杂的任务需求，例如需要频繁地进行目标跟踪、避障，甚至需要进行自主的编队飞行，这就对姿态控制系统提出了更高的要求。我想了解书中是如何通过先进的动力学建模，将卫星的非线性耦合效应、外部干扰（如太阳光压、大气阻力）以及执行机构的限制等因素纳入考量，从而设计出鲁棒且高效的控制算法的。此外，我也会重点关注书中在实际工程应用方面的案例分析，例如某个具体的航天任务是如何运用这些理论来解决实际问题的，这对于理解抽象的数学模型与实际工程之间的联系至关重要。这本书能否提供一些关于新型姿态执行机构（如霍尔推进器、电磁推杆）与传统控制方法的融合研究？或者，它是否涉及了人工智能技术（如深度学习、强化学习）在姿态控制中的应用，以应对更具挑战性的未知环境和自主决策需求？这些都是我非常感兴趣的方面，也希望这本书能够提供给我一些启发性的见解和实用的解决方案。

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我一直对“自主控制”在航天领域的发展非常关注，而这本书似乎在这方面有着深刻的见解。随着对空间探索任务的要求越来越高，尤其是深空探测和行星际任务，卫星需要具备高度的自主性来应对通信延迟、未知环境以及突发状况。我非常希望这本书能够深入探讨如何实现卫星姿态的自主控制，这包括自主的目标识别与跟踪、自主的轨道规划与调整、自主的故障响应以及自主的决策能力。书中是否会介绍一些关于“人工智能”和“机器学习”技术在自主姿态控制中的应用，例如利用强化学习来训练卫星学习最优的姿态控制策略，或者利用计算机视觉技术来实现对空间的自主感知和导航。我也对书中关于“分布式控制”在多卫星系统中的应用很感兴趣。例如，如何让多个卫星协同工作，实现集体的姿态控制和任务执行，而无需中心化的指令。这本书能否提供一些关于如何设计能够适应动态环境、具有自适应能力的自主控制系统，以及如何评估和验证这些自主系统的性能？这些都是我非常感兴趣的方面，希望能够从中获得启发。

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读完这本书，我最大的感受是它对于“非线性控制理论”在卫星姿态动力学中的应用进行了非常详尽的阐述，这绝对是这本书的一大亮点。传统的线性控制方法在处理复杂的卫星姿态动力学系统时，往往显得力不从心，尤其是在处理大幅度机动、系统参数变化或者存在显著非线性耦合效应的情况下。这本书深入剖析了这些非线性效应是如何影响卫星姿态的，例如通过对刚体动力学方程进行详细推导，清晰地展示了角动量耦合、非对称惯性张量等带来的复杂性。然后，它系统地介绍了诸如滑模控制、反馈线性化、自适应控制以及模糊逻辑控制等先进的非线性控制技术，并阐释了如何将这些技术有效地应用于卫星姿态的稳定、跟踪和机动控制。我尤其欣赏书中对于控制律设计过程中，如何权衡鲁棒性、精度和计算复杂度之间的关系的讨论，这在实际工程中是至关重要的。书中提供的许多数学推导过程非常严谨，一步步地引导读者理解理论的由来和应用，并辅以仿真结果进行验证，这使得我对非线性控制在卫星姿态领域有了更深刻的认识。这本书不仅是理论的宝库，更是对实践的有力指导，它帮助我理解了如何设计出能够应对各种复杂工况的高性能卫星姿态控制系统，这对于我未来的研究工作具有极大的指导意义。

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这本书给我的一个非常直观的感受是，它在“推进系统与姿态控制的协同设计”方面有着独到的见解。很多时候，我们单独研究姿态控制，而将推进系统视为一个“黑盒子”，但实际上，推进系统是姿态控制最主要的执行机构之一。我非常期待书中能够详细分析不同类型推进系统（例如冷气推进器、化学推进器、电推进器）的特性，如推力范围、响应速度、功耗以及寿命等，并阐述如何根据这些特性来优化姿态控制策略。书中是否会涉及一些关于“脉冲控制”或者“连续推力控制”在不同推进方式下的实现及其对姿态精度的影响？我也对书中关于“推进剂优化”的论述很感兴趣。在执行长时间任务或者进行复杂机动时，推进剂的消耗是关键的限制因素。如果能够通过优化的姿态控制策略来减少不必要的推进器工作，从而延长任务寿命，这将非常有价值。此外，我也对书中关于“推进系统故障与姿态控制的联动”的探讨很感兴趣。例如，当某个推进器发生故障时，如何利用剩余的推进器和其他姿态执行机构（如反作用轮）来维持姿态稳定，甚至完成预定的任务。

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这本书给我的印象非常深刻的是，它在“复杂动力学耦合”方面的研究达到了相当高的水平，尤其是在考虑“柔性附件”和“液体燃料”对姿态动力学的影响方面。现代卫星结构日益复杂，例如大型的太阳能帆板、通信天线、科学仪器等，它们的柔性振动会对卫星的整体姿态动力学产生显著影响，并可能与姿态控制系统产生耦合，导致振动传递、控制失效等问题。我非常期待书中能够深入分析这些柔性体的动力学特性，并提出有效的建模方法和控制策略，以抑制这些振动并保证姿态的稳定。同时，我也对书中关于“液体燃料在燃料箱内的晃动”对卫星姿态动力学的影响很感兴趣。在进行姿态机动时，燃料的晃动会产生额外的干扰力矩，尤其是在燃料箱接近空载时，这种影响会更加显著。书中是否会提供关于如何建模和补偿这种晃动效应的方法？例如，通过设计特定的燃料箱结构，或者采用特殊的燃料管理策略。这些复杂的耦合效应对实现高精度姿态控制至关重要，而本书能够在这方面提供深入的理论和方法，将极具价值。

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这本书的章节安排和内容深度，让我对“先进的轨道与姿态一体化控制”有了全新的认识。我一直觉得，将轨道动力学和姿态动力学割裂开来单独研究，在很多新兴的应用场景下是存在局限性的。例如，对于多卫星星座的协同任务，或者需要进行复杂轨道调整以实现特定观测的卫星，轨道和姿态的耦合效应就变得非常显著。这本书很可能深入探讨了如何在这种一体化控制的框架下，优化卫星的整体运动轨迹和姿态协同，从而实现更高效的任务执行。我期待书中能够详细阐述如何设计能够同时考虑轨道动力学和姿态动力学的耦合方程，并在此基础上开发能够协调两者运动的控制策略。例如，在进行轨道维持或者变轨操作时，伴随而来的姿态变化以及如何利用姿态控制来辅助轨道机动，这些都是非常有趣且实用的课题。书中是否会涉及一些关于“柔性体动力学”在姿态控制中的考量？现代卫星结构日益复杂，例如大型展开式太阳能帆板、柔性天线等，它们的振动会对姿态控制精度产生显著影响。如果这本书能够在这方面有所涉及，那就太有价值了。我希望能从书中学习到如何将轨道和姿态的控制目标进行统一优化，以及如何设计出能够处理这种复杂耦合系统的控制算法，从而提升卫星在轨运行的整体效能和任务灵活性。

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从这本书的名字“卫星姿态动力学与控制(4)”来看，它很可能是一部非常系统和深入的著作，尤其是在“先进控制理论的工程应用”方面。我一直认为，再先进的理论，如果不能有效地应用于实际工程，其价值也会大打折扣。我非常期待书中能够提供大量的实际工程案例，展示如何将先进的姿态动力学模型和控制算法应用到具体的卫星项目中。例如，如何为不同的任务需求（如高精度对地观测、深空探测、空间站维护）量身定制姿态控制系统，并解决在实际工程中遇到的挑战。书中是否会涉及“软件在环（SIL）”或“硬件在环（HIL）”仿真技术在姿态控制系统验证中的应用？这些技术对于在地面进行充分的验证和优化，降低在轨风险至关重要。我也对书中关于“系统集成与测试”的论述很感兴趣。一个复杂的姿态控制系统，涉及到硬件、软件、传感器、执行机构等多个环节，如何进行有效的系统集成和全面测试，以确保其可靠性和性能？如果本书能够提供一些实用的指导和经验，那将对所有从事航天工程的人员都非常有益。

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这本书给我的第一印象是，它非常注重“模型预测控制（MPC）”在卫星姿态控制中的应用，这绝对是当前控制理论的前沿领域之一。MPC最大的优势在于它能够利用系统的模型，预测未来的系统行为，并基于此优化未来的控制序列，同时能够显式地处理约束条件，例如执行机构的饱和、燃料消耗限制以及安全区域等。我非常期待书中能够详细介绍MPC的原理，并阐述如何将其应用于卫星姿态的稳定、跟踪和机动控制。例如，如何建立准确的卫星动力学模型，并将其融入到MPC的预测模型中？如何设计代价函数，以同时考虑姿态精度、能量消耗和机动时间等多个优化目标？书中是否会提供一些关于如何处理MPC计算复杂度的问题，因为实时性对于姿态控制至关重要。它能否提出一些降低计算量的方法，例如模型降阶、求解器优化等？我也对书中关于MPC在处理“多目标优化”和“软约束”方面的能力很感兴趣。在复杂的空间任务中，往往需要同时满足多个相互关联但又可能存在冲突的目标，MPC在这方面具有天然的优势。如果书中能够提供一些具体的案例，展示MPC在应对突发干扰、燃料受限机动以及其他复杂场景下的优越性能，那将非常有说服力。

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从这本书的标题“卫星姿态动力学与控制(4)”来看，这绝对不是一本入门级的读物，而是面向有一定基础的读者，或者说是对这个领域有深入研究需求的专业人士。我非常看重书中在“姿态测量与估计”方面的深入论述。一个精确的姿态估计是实现精确姿态控制的前提。我希望书中能够详细介绍各种姿态测量传感器，例如陀螺仪、星敏感器、磁力计、地磁罗盘以及GPS等，并深入分析它们的原理、精度、误差特性以及互补融合的方法。特别是如何利用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波等先进的滤波算法，有效地融合多源异构的姿态测量信息，以获得高精度、高鲁棒性的姿态估计结果。书中是否会涉及一些关于“惯性测量单元（IMU）”的校准和误差补偿技术？IMU的漂移和尺度因子误差是影响姿态估计精度的重要因素，能够提供有效的处理方法将大大提升姿态估计的可靠性。此外，我还对书中关于“姿态信息融合”的探讨很感兴趣，尤其是在某些传感器失效或者受到外部干扰的情况下，如何利用剩余的传感器信息或者模型信息来保持姿态估计的连续性和准确性。这本书能否提供一些在实际工程中，如何根据任务需求和卫星条件，选择最优的姿态测量方案和融合策略的指导？

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