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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:

图书标签:

• 自动控制
• 控制理论
• 控制系统
• 经典控制
• 现代控制
• MATLAB控制
• 自动化
• 电气工程
• 机械工程
• 系统工程

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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