深空探测动力学与控制 _生活百科

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深空探测动力学与控制【深空探测动力学与控制】《深空探测动力学与控制》是2014年清华大学出版社出版的图书，作者是李俊峰、宝音贺西、蒋方华。
基本介绍书名：深空探测动力学与控制
作者：李俊峰、宝音贺西、蒋方华
ISBN：9787302345442
定价：128元
出版社：清华大学出版社
出版时间：2014-12-8
前言自1959年苏联成功发射了“月球”2号探测器以来，世界各国发射的包括月球探测器在内的深空探测器达到了240多颗。经过20世纪80年代短暂的低潮后，进入21世纪，航天界迎来了第二次深空探测热潮。与此同时，我国成功发射了“嫦娥”系列月球探测器，提出了以月球探测为突破口，开展深空探测活动的策略，对火星及更远天体的探测正在论证和规划。早期的深空探测器轨道控制与设计方法基于的动力学模型是简单的二体模型，轨道推进使用可等效为脉冲的大推力化学推进。然而，第二次深空探测热潮更加强调方案和技术的创新，如提出了拉格朗日点附近的周期轨道、悬浮轨道、两个天体的引力平衡点附近飞行的晕轨道等多种新型的任务轨道；在轨道推进上青睐更高效的方式，如採用产生连续小推力的离子电推进技术、巧妙利用行星引力辅助、探索太阳帆和磁帆等新概念飞行器；倾向于多种类型的导航技术，如大功率地面测控技术和自主导航技术；探测目标的选择更加广泛，如近地小行星、柯伊伯带小天体等，及一次探测多个目标的多任务探测。这些新型的任务轨道和推进方式可以以较低的成本实现更多的任务，相应的轨道动力学研究涉及N体系统、不规则弱引力场特性等，还需要研究连续推力作用下的轨道设计与控制方法等。作者团队近20年来一直从事太空飞行器动力学与控制方面的研究工作，前期主要针对的是近地太空飞行器，近10年来转向深空探测。本书是作者团队近10年在深空探测动力学与控制方面研究成果的系统总结，其中主要包括了4位教师、8位博士研究生和5位硕士研究生的研究成果。全书由11章内容组成。第0章是绪论，是整书的引导和概要介绍，为了方便读者阅读本书各个章节的专题内容，以综述的形式集中介绍了共性基础，及其与本书重点研究问题的关係。除绪论外，每一章都是一个专题研究。第1章以火星探测任务为背景，系统地研究并介绍脉冲推进模型下行星探测轨道最佳化设计方法。第2章以光学自主导航为例，系统地研究并介绍深空自主导航的基本概念和方法。第3章系统地研究引力辅助技术，其中有複杂的最佳化问题迄今尚未彻底解决。第4~6章研究连续推力模型下的深空轨迹最佳化方法，这是近几年国际上的热点问题，也是理论上尚未完全解决的难题。其中第4章介绍基本方法；第5章研究与同伦方法相结合的间接最佳化法；第6章研究运用伪普法的直接最佳化法。第7章研究小行星附近不规则引力场中的轨道理论，这是近年新兴起的课题，也是尚未形成完整理论体系的问题。第8章研究小行星探测制导与控制问题，给出附着、伴飞和飞越探测制导与控制的典型方法。第9章研究三体问题中轨道问题，包括拉格朗日点附近的轨道理论，以及与其相关的不变流形及其之上的轨道设计方法。第10章研究太阳帆飞行器新型任务轨道，给出逆向轨道、双逆向轨道等若干种新型轨道。本书的绪论由李俊峰、宝音贺西编写，第1章由李俊峰、李军锋编写，第2章由宝音贺西、崔文编写，第3章由李俊峰、陈杨编写，第4章由宝音贺西、蒋方华、郭铁丁编写，第5章由蒋方华、李俊峰编写，第6章由李俊峰、郭铁丁、蒋方华编写，第7章由宝音贺西、于洋编写，第8章由宝音贺西、陈杨编写，第9章由龚胜平、宝音贺西编写，第10章由李俊峰、曾祥远编写。书中的算例一部分由龚胜平博士和蒋方华博士完成，另一部分由研究生陈杨、于洋、郭铁丁、曾祥远、崔文、李军锋完成。全书统稿由李俊峰、宝音贺西、蒋方华负责。目录第0章绪论0.1深空探测的意义0.2深空探测概况0.3深空探测动力学与控制新问题0.4本书的内容0.4.1脉冲推进和连续小推力轨道设计0.4.2深空探测自主导航技术0.4.3引力辅助技术及其在深空探测中的套用0.4.4小行星附近的轨道及轨道控制0.4.5拉格朗日点周围的轨道0.4.6不变流形及其在深空探测中的套用0.4.7太阳帆太空飞行器在深空探测中的套用参考文献第1章脉冲推进深空探测轨道设计1.1引言1.1.1国外火星探测情况1.1.2本章内容和方法1.2转移轨道初步设计1.2.1日心轨道设计和发射视窗选择1.2.2地心段参数设计1.2.3火心段参数设计1.3精确模型下轨道参数修正1.4中途修正1.4.1国外深空任务中途修正案例1.4.2中途修正的理论基础1.4.3日心段中途修正策略1.4.4中途修正策略仿真及分析1.5捕获控制1.5.1行星捕获问题1.5.2燃料最优捕获策略1.5.3其他推力模型捕获参数最佳化问题1.5.4误差分析1.6本章小结参考文献第2章深空探测光学自主导航2.1引言2.1.1深空导航的发展概况2.1.2深空自主导航系统中的光学敏感器2.1.3主要研究方法2.2深空探测自主导航建模及算法2.2.1时间及坐标系统2.2.2巡航段动力学模型2.2.3接近段动力学模型2.2.4光学自主导航观测模型2.2.5滤波算法2.3火星探测巡航段的光学自主导航方法2.3.1火星探测巡航段的标称轨道2.3.2巡航段中的光学自主导航原理2.3.3导航小行星筛选2.3.4仿真计算及分析2.4火星探测接近段中的光学自主导航方法2.4.1火星探测接近段的标称轨道2.4.2导航系统在接近段的可观测性2.4.3仿真计算及分析2.5本章小结参考文献第3章深空探测引力辅助3.1引言3.2行星引力辅助的原理3.2.1引力辅助简化模型3.2.2动力甩摆3.2.3引力辅助轨道设计与最佳化方法3.2.4引力辅助作用效果分析3.2.5共振借力轨道及其套用3.3引力辅助方式选择与轨道设计3.3.1近地小行星探测3.3.2主带小行星探测3.3.3木星探测3.4精确动力学模型中的引力辅助3.4.1简单模型中的轨道初步设计3.4.2精确动力学模型中的轨道修正 3.4.3设计算例与分析3.4.4小结参考文献第4章连续推力深空探测轨道设计4.1引言4.2直接法4.2.1研究现状4.2.2轨迹最佳化设计的直接法4.3间接法4.3.1研究现状4.3.2轨迹最佳化设计的间接法4.3.3间接法套用于深空轨道设计算例4.4混合法4.5本章小结参考文献第5章连续推力轨迹最佳化的同伦方法5.1连续推力轨迹最佳化与设计技术现状5.2深空探测最佳化问题5.2.1时间最优问题5.2.2燃料最优问题5.3约束处理5.3.1端点时间和状态给定的约束5.3.2初始时间和状态受约束5.3.3末端时间和状态受约束5.3.4中途飞越的内点约束5.3.5中途交会的内点约束5.3.6中途引力辅助的内点约束5.4燃料最优问题同伦方法求解5.4.1协态变数初值归一化5.4.2带开关函式检测的定步长积分5.4.3运用粒子群最佳化算法的全局最佳化5.4.4非线性方程求解和求解策略总结5.5引力辅助的脉冲估计5.6数值算例5.6.1从地球到金星的交会问题5.6.2从地球到木星并利用火星引力辅助的交会问题5.6.3长任务时间的近地轨道转移5.7本章小结参考文献第6章连续推力轨迹最佳化的伪普法6.1引言6.2伪谱法的理论基础6.2.1伪谱法的数学基础：函式/积分/微分的近似6.2.2伪谱法的最佳化基础：非线性规划问题与KKT条件6.3伪谱离散的轨迹最佳化问题6.3.1连续小推力轨迹最佳化6.3.2时间域离散与微分矩阵6.3.3伪谱离散的轨迹最佳化问题6.3.4非线性规划问题及其KKT条件6.4乘子等价映射与伪谱法套用6.4.1最优控制与两点边值问题6.4.2轨迹最佳化中的乘子等价映射6.4.3关于乘子等价映射的讨论6.4.4伪谱法求解能量最优轨迹6.5伪谱同伦混合方法与BangBang控制6.5.1伪谱法求解燃料最优轨迹的困难6.5.2同伦技术的初始化困难6.5.3伪谱同伦混合方法6.5.4伪谱同伦混合法求解燃料最优轨迹6.6分块伪谱法及乘子等价映射的推广6.6.1含时变内点约束的轨迹最佳化问题6.6.2分块伪谱法及其非线性规划问题6.6.3基于伪谱格线的离散多点边值问题6.6.4含时变内点约束的乘子等价映射6.6.5分块伪谱法及其乘子映射的套用 6.7本章小结参考文献第7章小行星附近的轨道7.1引言7.2小行星附近的力学环境7.2.1轨道分布7.2.2引力作用範围7.2.3轨道运动方程7.3小行星引力场描述方法7.3.1质点群方法7.3.2球谐函式方法7.3.3多面体方法7.3.4三种方法的比较7.4小行星附近轨道平衡点与不变流形7.4.1(216)Kleopatra模型7.4.2运动方程和守恆量7.4.3平衡点7.4.4局部流形7.4.5平衡点附近的周期轨道7.5小行星附近的周期轨道7.5.1周期轨道的拓扑类型7.5.2三维周期轨道的搜寻方法7.5.3算例： (216)Kleopatra7.6轨道共振与稳定性7.6.1共振轨道的能量方程7.6.2共振条件7.6.3抛射轨道的机率分布7.7本章小结参考文献第8章小行星探测制导与控制8.1引言8.2小行星伴飞的常值推力控制8.2.1探测器的轨道动力学8.2.2常值小推力控制律设计8.2.3仿真算例8.3小行星附着的视线制导律8.3.1坐标系统8.3.2动力学方程8.3.3滑模製导律8.3.4算例8.4小行星着陆、起飞燃料最优控制8.4.1动力学方程8.4.2着陆过程燃料最优控制8.4.3起飞过程中的燃料最优控制问题8.5小行星飞越轨道控制分析8.5.1任务情况8.5.2基本模型8.5.3中途修正分析8.5.4光照条件分析8.5.5成像姿态调整分析8.5.6测控约束分析8.5.7星上数据存储和传输能力8.5.8小行星定轨与星曆精度参考文献第9章限制性三体问题中的轨道动力学与控制9.1引言9.2圆形限制性三体问题9.3拉格朗日点附近的编队9.3.1Halo轨道附近的编队控制9.3.2Halo附近的编队重构9.4基于不变流形的登月轨道设计9.4.1轨道设计过程9.4.2能量分析9.5本章小结参考文献附录A第10章太阳帆太空飞行器逆行轨道10.1太阳帆太空飞行器深空探测10.2角动量翻转逆向轨道10.2.1平面运动方程的建立10.2.2速度图10.2.3平面逆向轨道可行域10.3逆向轨道新套用10.3.1双逆向周期轨道10.3.2日心逆向转移轨道10.3.3撞击近地小行星 10.4三维双逆向周期轨道10.4.1第一类三维逆向轨道10.4.2第二类三维逆向轨道10.4.3第二类三维轨道特性10.5恆星际探测轨道设计与最佳化10.5.1恆星际100 AU探测任务10.5.2轨道发射视窗10.5.3局部最优轨迹10.6本章小结参考文献