具体描述
《星际轨迹：导航、姿态与控制的艺术》 内容梗概 《星际轨迹：导航、姿态与控制的艺术》是一本深入探讨航天器在浩瀚宇宙中实现精确姿态控制、稳定导航以及高效机动性能的学术专著。本书并非仅仅罗列枯燥的公式和理论，而是以一种严谨而富有洞察力的方式，将复杂的工程原理与实际应用相结合，带领读者走进航天器设计与运行的核心技术领域。本书的重点在于揭示航天器如何克服来自太阳、地球、月球等天体以及自身运行产生的各种扰动力矩，并通过精密的控制系统，将其姿态保持在预设的轨道和指向。 全书共分为三个主要部分，每个部分都层层递进，构建了一个完整而深刻的知识体系。 第一部分：航天器姿态动力学基础 本部分是理解航天器姿态控制的基石。首先，本书将详细阐述描述航天器姿态动力学的基本方程，包括欧拉方程（Euler’s equations）以及描述刚体角动量变化的定律。我们将深入分析惯性张量（inertia tensor）的概念，解释它如何影响航天器在受到外力作用时的运动响应。本书将不遗余力地解释，为什么不同形状和质量分布的航天器，在相同外部扰动下会表现出截然不同的姿态变化。 接着，我们将深入剖析作用在航天器上的各种外扰动力矩。这包括： 重力梯度力矩（Gravity Gradient Torque）：这是由地球（或其他大型天体）不均匀引力场作用在航天器上产生的力矩。书中将详细讲解如何计算这种力矩，并分析它对不同轨道高度和形状航天器的影响，以及在被动稳定姿态控制中的应用潜力。 大气阻力矩（Aerodynamic Torque）：对于低轨道航天器而言，稀薄但仍然存在的大气层会产生阻力，从而引发姿态变化。本书将介绍计算大气阻力的方法，并探讨如何考虑航天器表面形状和材料的差异性。 太阳光压（Solar Radiation Pressure）：当光子撞击航天器表面时，会产生微小的动量交换，从而引发力矩。虽然通常较小，但在长时间的轨道运行中，其累积效应不容忽视。本书将分析光压的大小与航天器表面积、反射率以及太阳距离的关系。 磁力矩（Magnetic Torque）：地球磁场与航天器内部的磁性材料或电流产生的线圈相互作用，会产生磁力矩。本书将深入分析地磁场模型，以及如何利用磁力矩进行姿态控制。 内部力矩（Internal Torques）：这些力矩来源于航天器内部活动，例如旋转的部件（如陀螺仪、相机阵列）的角动量变化，或者推进器产生的微小推力。本书将分析这些内部运动如何耦合到整体姿态动力学中。 除了外扰力矩，本部分还将详细介绍航天器的惯性特性，特别是如何计算和利用航天器的惯性张量矩阵。本书会深入探讨，为什么理解航天器的惯性耦合（coupling）对于设计有效的控制策略至关重要。我们将通过具体的算例，展示惯性耦合如何导致非线性的姿态响应。 第二部分：姿态测量与估计技术 精确的姿态信息是实现有效控制的前提。本部分将聚焦于各种先进的姿态传感器以及数据融合算法。 星敏感器（Star Trackers）：本书将详细介绍星敏感器的基本原理，包括其工作流程——识别星图、匹配数据库、计算姿态。我们将探讨不同类型星敏感器的优缺点，以及影响其精度的关键因素，如视场角、分辨率、杂散光抑制等。 太阳敏感器（Sun Sensors）：介绍不同类型的太阳敏感器，它们如何利用太阳的位置来辅助确定航天器的姿态。本书将分析太阳敏感器在特定任务中的应用场景，例如在失去星敏感器工作能力时的备用姿态测量。 地球敏感器（Earth Sensors）：讲解地球敏感器如何通过探测地球红外辐射或可见光边界来确定航天器的指向。我们将深入分析其工作原理，以及如何克服云层、地形等干扰因素。 陀螺仪（Gyroscopes）：本书将详细介绍不同类型的陀螺仪，包括机械陀螺仪（如二自由度陀螺、三自由度陀螺）和光纤陀螺仪（FOG）、环形激光陀螺仪（RLG）。我们将分析它们的精度、漂移特性以及在姿态测量中的作用，特别是在短期高精度姿态跟踪方面的优势。 磁力计（Magnetometers）：介绍磁力计如何测量地磁场强度和方向，并结合地磁场模型来推算航天器的姿态。我们将讨论磁力计在姿态确定的精度限制以及其在某些任务中的独特价值。 在介绍完各类传感器之后，本部分将重点阐述姿态估计算法。我们将深入讲解卡尔曼滤波（Kalman Filter）及其变种，如扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter, EKF）和无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter, UKF）。本书将通过大量的数学推导和仿真例子，说明如何利用这些算法融合来自不同传感器的信息，以获得更精确、更鲁棒的姿态估计。我们将讨论噪声模型、过程模型以及如何优化滤波器的参数以提高性能。 第三部分：主动姿态控制系统设计 这是本书的核心，也是应用性最强的一部分。在精确测量和理解动力学之后，本部分将聚焦于如何设计和实现有效的姿态控制系统。 控制方法： PID控制（Proportional-Integral-Derivative Control）：作为最基础但也最常用的控制算法，本书将详细讲解PID控制的原理，以及如何在航天器姿态控制中设计合适的比例、积分和微分增益。我们将分析PID控制在处理线性系统时的优点以及其在面对非线性扰动时的局限性。 状态空间控制（State-Space Control）：我们将引入状态空间模型，并讲解如何设计基于状态反馈的控制器，例如线性二次调节器（Linear Quadratic Regulator, LQR）。本书将阐述LQR如何通过优化性能指标来获得最优的控制律，从而实现更优化的姿态响应。 滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）：对于存在不确定性和扰动的系统，滑模控制因其鲁棒性而备受关注。本书将深入分析滑模控制的原理，包括滑模面的设计和切换律的生成，并探讨其在抑制外部扰动和模型不确定性方面的优势。 模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）：介绍MPC的基本思想，即利用系统模型预测未来一段时间内的系统行为，并基于预测结果优化控制输入。我们将详细阐述MPC在处理约束条件和优化目标方面的能力，以及其在复杂机动控制中的应用。 执行机构（Actuators）： 反作用飞轮/动量轮（Reaction Wheels/Momentum Wheels）：这是航天器最常用的姿态控制执行机构。本书将详细介绍其工作原理，即通过改变轮子的转速来产生反作用力矩，从而控制航天器姿态。我们将深入分析动量积累问题（momentum saturation）以及如何通过磁力矩器（Magnetorquers）或推进器进行卸载。 磁力矩器（Magnetorquers）：作为一种无耗气控制执行机构，磁力矩器通过与地磁场的相互作用产生控制力矩。本书将详细分析磁力矩器的设计，以及其在低轨道卫星姿态控制中的应用。 推进器（Thrusters）：对于需要快速、大力矩进行姿态调整的任务，推进器是不可或缺的。本书将介绍不同类型的推进器（如冷气推进器、电推进器），并讲解如何通过优化推进器喷射策略来实现精确的姿态控制和轨道维持。 扰流板/可变翼（Spoilers/Variable Fins）：在某些特定大气层内或具有大气层的天体附近，扰流板等气动力控制设备也可以用于姿态控制。本书将讨论这些装置的工作原理及其适用场景。 控制系统集成与仿真：本书还将探讨如何将上述传感器、估计器和执行机构集成到一个完整的控制系统中。我们将强调仿真在姿态控制系统设计中的重要性，包括系统级仿真、硬件在环仿真（Hardware-in-the-Loop, HIL）等。通过具体的仿真案例，读者将能够理解不同控制策略在不同任务场景下的性能表现。 《星际轨迹：导航、姿态与控制的艺术》不仅是为航空航天工程专业的学生和研究人员量身定制的教材，更是为所有对航天器运行的内在机理充满好奇心的读者提供的深度指南。本书旨在激发读者对精密工程、控制理论以及太空探索的热情，共同探索人类迈向星辰大海的每一步。
作者简介
目录信息
读后感
评分
评分
评分
评分
评分
用户评价
评分
评分
评分
评分
评分
相关图书
本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息，本站不存储任何数据与内容，任何内容与数据均与本站无关，如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度，google,bing,sogou 等
© 2026 book.wenda123.org All Rights Reserved. 图书目录大全 版权所有