陳小前白玉鑄趙勇陳致鈞著北京內容簡介空間非合作目標安全接近控制是航天器在軌服務任務的基礎技術。本書考慮空間非合作目標的翻滾運動、復雜外形、不確定條件等影響因素，研究了目標外形表征、近距離相對運動建模、可達域構建與碰撞風險評估等問題，提出了多種復雜條件下的非合作目標安全接近控制方法，并結合地面實驗系統(tǒng)和在軌飛行實驗對相關方法進行了驗證。本書系統(tǒng)闡述了作者團隊持續(xù)十余年的研究成果，可為我國開展復雜條件下的在軌服務任務提供理論支撐。
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目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 空間非合作目標的概念與特征/1
1.2 安全接近問題的內涵與特點/2
1.2.1 安全接近問題的內涵與描述/2
1.2.2 空間非合作目標安全接近的特點/5
1.3 國內外安全接近任務研究概況/7
1.3.1 交會對接類任務/7
1.3.2 空間碎片抓捕類任務/9
1.3.3 在軌維護類任務/11
1.3.4 總結評述/13
1.4 國內外相關理論研究進展/14
1.4.1 航天器相對運動建模方法研究進展/14
1.4.2 航天器控制理論與方法研究進展/16
1.4.3 航天器復雜外形重構研究進展/17
1.4.4 航天器安全接近控制方法研究進展/18
1.4.5 航天器近距離安全區(qū)與可達理論發(fā)展現狀/20
1.4.6 航天器不確定性分析研究進展/21
1.4.7 非合作目標地面實驗研究進展/22
1.5 本書主要內容/23
參考文獻/24
第2章 航天器近距離相對運動建模方法 33
2.1 軌道相對運動模型/34
2.1.1 坐標系定義和轉換/34
2.1.2 LVLH坐標系下的相對運動模型/37
2.1.3 目標體坐標系下的相對運動模型/39
2.2 姿態(tài)相對運動模型/40
2.2.1 單剛體轉動動力學/40
2.2.2 歐拉角表示的相對姿態(tài)動力學/41
2.2.3 姿態(tài)動力學模型線性化誤差分析/41
2.3 姿軌耦合相對運動模型/43
2.3.1 對偶四元數及一般運動描述/44
2.3.2 基于對偶四元數的相對運動模型/46
2.3.3 與傳統(tǒng)相對運動方程比較/47
2.3.4 姿軌耦合特性分析/49
2.4 本章小結/50
參考文獻/50
第3章 非合作目標近距離姿軌跟蹤控制 52
3.1 空間非合作目標翻滾運動描述/53
3.1.1 空間非合作目標翻滾運動建模/53
3.1.2 空間非合作目標翻滾運動仿真/55
3.2 基于狀態(tài)相關黎卡提方程的姿軌聯(lián)合控制/57
3.2.1 問題描述/58
3.2.2 期望輸入法和折減指標法設計/60
3.2.3 基于狀態(tài)相關黎卡提方程的跟蹤控制仿真/65
3.3 基于模型預測控制算法的姿軌聯(lián)合控制/69
3.3.1 模型預測控制理論/69
3.3.2 顯式模型預測控制器設計/71
3.3.3 基于顯式模型預測控制的全局離線姿軌跟蹤/73
3.4 基于非奇異終端滑�？刂扑惴ǖ淖塑夞詈峡刂�/75
3.4.1 非線性控制理論介紹/75
3.4.2 非奇異終端滑�？刂破髟O計/77
3.4.3 基于非奇異終端滑模的姿軌耦合控制仿真/86
3.5 本章小結/92
參考文獻/93
第4章 空間非合作目標外形表征方法 95
4.1 最小體積包絡法/96
4.1.1 球形/多面體包絡法/96
4.1.2 超二次曲面包絡/97
4.1.3 其他表征方法/98
4.2 空間距離估計方法/98
4.2.1 空間位置關系/98
4.2.2 距離估計模型/99
4.2.3 橢球形距離估計方法與仿真分析/105
4.3 GMM采樣重構法/113
4.3.1 GMM采樣重構法發(fā)展現狀/113
4.3.2 GMM采樣重構法求解方法/114
4.3.3 GMM重構外形仿真/116
4.4 本章小結/117
參考文獻/118
第5章 非合作目標安全接近的勢函數控制方法 121
5.1 勢函數方法的基本原理/122
5.1.1 勢場描述/122
5.1.2 典型勢函數/122
5.2 基于Sigmoid勢函數的避障控制/126
5.2.1 Sigmoid勢函數數學模型/126
5.2.2 橢球形障礙物避障控制律設計/129
5.2.3 長方體障礙物避障控制律設計/134
5.3 基于復合勢函數的六自由度安全接近控制方法/143
5.3.1 考慮目標旋轉時的勢函數建立/144
5.3.2 六自由度復合控制器設計/147
5.3.3 仿真分析/152
5.4 本章小結/165
參考文獻/165
第6章 復雜外形非合作目標安全接近控制方法 167
6.1 目標復雜外形的約束建模/168
6.1.1 目標姿態(tài)靜止的復雜外形約束建模/168
6.1.2 目標姿態(tài)翻滾的復雜外形約束建模/171
6.2 靜止復雜外形目標的有限時間控制方法/176
6.2.1 非奇異積分雙環(huán)滑�？刂破髟O計/177
6.2.2 穩(wěn)定性分析/179
6.2.3 仿真分析/179
6.3 旋轉復雜外形目標的固定時間控制方法/183
6.3.1 固定時間控制器設計/183
6.3.2 穩(wěn)定性分析/185
6.3.3 仿真分析/186
6.4 本章小結/191
參考文獻/191
第7章 復雜外形雙航天器安全接近控制方法 193
7.1 雙復雜外形約束與相對姿態(tài)約束融合的避撞約束構建方法/195
7.1.1 臨界安全曲線理論/195
7.1.2 臨界安全曲線仿真分析/203
7.2 雙復雜外形約束下的軌跡規(guī)劃方法/205
7.2.1 基于改進水流法的軌跡規(guī)劃算法/206
7.2.2 多約束耦合作用下的速度規(guī)劃方法/212
7.2.3 面向旋轉目標的軌跡規(guī)劃方法/217
7.3 基于模型預測控制與雙復雜外形約束的姿軌聯(lián)合控制/221
7.3.1 面向非旋目標的姿軌聯(lián)合控制器設計/221
7.3.2 面向旋轉目標的姿軌聯(lián)合控制器設計/225
7.4 本章小結/230
參考文獻/231
第8章 不確定條件下的航天器近距離懸�？刂� 233
8.1 不確定條件下的碰撞風險評估/234
8.1.1 常用碰撞風險評估方法/234
8.1.2 軌道偏差預報與仿真分析/235
8.1.3 碰撞概率計算方法/245
8.2 導航偏差影響下的懸停誤差帶建立/254
8.2.1 基于協(xié)方差分析描述函數法的導航偏差傳播/254
8.2.2 安全接近區(qū)的定義與建立/258
8.3 基于降維固定時間的欠驅動懸�？刂�/260
8.3.1 欠驅動系統(tǒng)能控性分析/260
8.3.2 基于降維固定時間的欠驅動控制器設計/263
8.3.3 欠驅動懸�？刂品抡娣治�/268
8.4 本章小結/270
參考文獻/270
第9章 非合作目標相對運動可達域與安全區(qū)構建 272
9.1 基于奇諾多面體的航天器相對運動可達域構建/272
9.1.1 可達概念與最優(yōu)控制的關系/272
9.1.2 基于奇諾多面體的相對可達域理論/275
9.1.3 失效航天器終端接近可達性分析/279
9.1.4 基于奇諾多面體可達域的碰撞預警分析/287
9.2 相對運動安全區(qū)及其在航天器碰撞預警中的應用/296
9.2.1 常用相對運動安全區(qū)構建方法/296
9.2.2 系統(tǒng)性能參數影響/302
9.2.3 動態(tài)安全域/303
9.2.4 碰撞風險評估“3C”模型/305
9.3 本章小結/306
參考文獻/306
第10章 非合作目標安全接近控制實驗技術 310
10.1 安全接近地面氣浮模擬實驗系統(tǒng)介紹/310
10.1.1 地面氣浮實驗平臺硬件系統(tǒng)/310
10.1.2 地面氣浮實驗平臺軟件系統(tǒng)/314
10.1.3 地面氣浮實驗平臺系統(tǒng)參數辨識/315
10.1.4 動力學模型簡化/316
10.2 路經約束下最優(yōu)跟蹤控制算法地面實驗/317
10.2.1 期望輸入最優(yōu)跟蹤控制算法實驗驗證/317
10.2.2 路徑約束最優(yōu)控制算法實驗驗證/319
10.3 非合作目標位姿跟蹤控制算法地面實驗/321
10.3.1 非合作目標位姿跟蹤任務場景描述/321
10.3.2 非合作目標位姿跟蹤控制器設計/321
10.3.3 實驗結果分析/322
10.4 復雜外形目標安全接近控制算法地面實驗/327
10.4.1 復雜外形目標安全接近實驗場景描述/327
10.4.2 模擬目標航天器復雜外形重構/327
10.4.3 復雜外形目標安全接近控制器設計/328
10.4.4 復雜外形目標安全接近實驗結果分析/329
10.5 雙星在軌接近飛行實驗簡介/333
10.5.1 飛行實驗任務概述/334
10.5.2 飛行實驗仿真數據/335
10.6 本章小結/337
參考文獻/338
第11章 非合作目標安全接近技術總結與展望 339
11.1 非合作目標安全接近關鍵技術總結/339
11.2 非合作目標安全接近技術發(fā)展展望/342
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