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价格:27.00元

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isbn号码:9787502109219

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• 自动控制
• 控制理论
• 控制系统
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• 反馈控制
• 系统分析
• 数学模型
• 工程控制
• 自动化

《航天器姿态动力学与控制》 内容简介： 本书系统深入地探讨了航天器在复杂空间环境下的姿态动力学特性、建模方法以及先进的姿态控制理论与技术。全书结构严谨，内容涵盖了从基础理论到前沿应用的广泛范围，旨在为航天器设计、仿真、在轨操作和故障诊断提供坚实的理论支撑和实用的工程指导。 第一部分：航天器姿态运动学与动力学基础 本部分奠定了理解航天器姿态行为的数学和物理基础。 第一章 空间几何与坐标系转换： 详细阐述了描述航天器姿态所需的各种数学工具，包括欧拉角、四元数、旋转矩阵等表示方法。重点分析了不同惯性参考系（如地固系、惯性系、日固系）之间的精确转换关系，并引入了万向节死锁问题及其规避策略。通过对微积分和张量分析在描述刚体运动中的应用，为后续的动力学建模做好准备。 第二章 刚体动力学基础： 回顾牛顿-欧拉方程在描述航天器质心运动和姿态运动中的应用。深入分析了惯性张量、角动量定理、质心运动方程和欧拉运动方程的推导过程。特别关注了考虑外力矩（如地球引力矩、太阳光压矩、大气阻力矩）和内力矩（如陀螺漂移、磁力矩）影响下的自由飞行和受控飞行动力学方程的建立。 第三章 建模中的特殊考虑： 针对实际航天器系统的复杂性，本章探讨了建模中的关键挑战。包括柔性体动力学（如太阳帆、桁架结构）对刚体动力学的影响、非保守力（如推进器脉冲、磁力矩器推力）的离散化建模，以及考虑系统内部质量重新分布（如燃料消耗、内部转子运动）对姿态动力学参数变化的分析。 第二部分：航天器姿态估计与导航 精确的姿态信息是实现有效控制的前提。本部分聚焦于传感器数据融合、状态估计和导航算法。 第四章 姿态敏感器原理与建模： 全面介绍现代航天器姿态敏感器件的工作原理、误差特性和数学模型。详细分析了星敏感器、太阳敏感器、地球敏感器、红外敏感器以及激光雷达的工作机制。对陀螺仪（光纤陀螺、环形激光陀螺）和磁力计的噪声模型、漂移特性进行了量化分析。 第五章 状态估计理论： 引入现代滤波技术用于处理传感器观测数据的不确定性和非线性。核心内容包括扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）在非线性姿态动力学系统中的应用。此外，还深入探讨了容积卡尔曼滤波（CKF）和粒子滤波（PF）在极端非高斯噪声环境下的性能优势。 第六章 观测器设计： 侧重于基于观测误差动态系统的姿态观测器设计。讨论了Luenberger型观测器、高增益观测器以及非线性观测器（如基于滑动模观测器的设计）在提高姿态估计收敛速度和鲁棒性方面的应用。特别分析了观测器在线性化模型和全姿态模型下的实施细节。 第三部分：航天器姿态控制系统 本部分是全书的核心，涵盖了姿态控制器的设计、实现与鲁棒性分析。 第七章 经典控制方法在姿态控制中的应用： 回顾PID控制器在姿态稳定任务中的基础应用。重点分析了线性二次调节器（LQR）在姿态轨道机动任务中的最优控制设计。讨论了滑模控制（SMC）在应对模型不确定性和外部扰动时的优越性，包括二阶和高阶滑模控制器的设计。 第八章 基于先进理论的姿态控制设计： 聚焦于非线性系统控制技术。详细阐述了反馈线性化（Feedback Linearization）技术在将复杂非线性姿态动力学转化为线性系统的过程，并设计了相应的补偿控制器。深入研究了基于Lyapunov函数的间接和直接自适应控制设计，用于应对航天器参数的变化。 第九章 推进器与执行器选择与控制： 详细分析了不同执行器的工作特性及其对控制系统设计的影响。包括反应轮（Reaction Wheels）的饱和约束处理、磁力矩器（Magnetorquers）的推力限制、推进器（Thrusters）的脉冲宽度调制（PWM）与最优脉冲分配策略。重点讨论了具有饱和约束和量化输入的控制器的设计方法，如有限时间收敛控制。 第十章 故障诊断与容错控制： 针对航天器任务关键性，本章探讨了执行器故障和传感器退化对姿态控制的影响。引入了基于模型或基于数据的故障检测（FDD）方法。着重介绍了切换控制、备份冗余管理和基于观测器的实时重构技术，以确保系统在部分组件失效情况下仍能维持基本功能。 第四部分：特殊任务的姿态控制 本部分探讨了特定航天任务对姿态控制提出的独特要求。 第十一章 对接与捕获控制： 针对近距离操作，分析了目标与跟踪器之间的相对动力学模型。设计了基于视觉伺服的非接触式轨道保持与姿态捕获控制器，强调了低速、高精度的控制要求和燃料效率优化。 第十二章 编队飞行与相对导航： 针对多航天器系统，研究了它们之间的相对姿态动力学。介绍了基于分布式控制架构的编队保持算法，包括基于通信约束的协同姿态同步控制和规避碰撞的制动策略。 第十三章 高精度对地观测与指向： 针对对地观测卫星，分析了地面目标运动、地球自转和大气扰动对指向精度的影响。设计了高带宽、低抖动的精确指向控制器，并利用前馈补偿技术来抵消已知的外部扰动。 总结： 本书内容紧密围绕航天器姿态的“感知—认知—执行”闭环过程，融合了控制理论的前沿成果与实际工程应用中的最新实践。大量的案例分析和仿真结果验证了所提出方法的有效性和实用性，是航天领域科研人员、高级工程师及相关专业高年级学生不可或缺的参考资料。

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