航天器姿轨一体化动力学与控制技术/中国航天技术进展丛书 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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孙俊，刘付成，王剑颖，吴限德 著，吴燕生 编

图书标签:

• 航天器
• 姿态控制
• 轨道力学
• 动力学
• 控制技术
• 航天技术
• 中国航天
• 姿轨一体化
• 飞行器
• 航天工程

出版社： 中国宇航出版社

ISBN：9787515909974

版次：1

商品编码：12215906

包装：精装

丛书名： 中国航天技术进展丛书

开本：16开

出版时间：2017-04-01

用纸：胶版纸

页数：252

字数：406000

正文语种：中文

内容简介

　　《航天器姿轨一体化动力学与控制技术/中国航天技术进展丛书》一书重点研究了航天器姿轨一体化动力学建模方法、航天器姿轨一体化鲁棒控制方法，以及基于特征测量的航天器相对视觉导航方法。以对偶四元数为数学工具，借助对偶四元数在描述螺旋运动方面的优势，将两航天器或多航天器的相对运动抽象成为螺旋运动，再利用对偶四元数建立的航天器姿态一轨道一体化动力学模型，据此设计出姿轨一体化控制器和相对导航方法，为我国航天器飞行任务的总体分析和设计提供了必要的理论基础。
　　《航天器姿轨一体化动力学与控制技术/中国航天技术进展丛书》是作者多年理论和工程经验的总结，内容难易程度适中、前沿性与工程指导性好，可供航天领域从事航天器动力学建模、控制和导航的研究生或者工程技术人员参考。

目录

第1章 绪论
1．1 背景、目的及意义
1．2 对偶四元数的应用现状
1．3 航天器运动模型研究现状
1．3．1 航天器一般运动的描述方法介绍
1．3．2 航天器动力学建模方法研究现状
1．4 航天器姿轨一体化建模研究现状
1．5 航天器控制方法研究现状
1．5．1 相对轨道控制算法
1．5．2 姿态控制算法
1．5．3 姿轨一体化控制算法
1．6 导航方法研究现状
1．6．1 基于特征点的位姿确定算法
1．6．2 基于特征线的位姿确定算法
1．6．3 视觉／惯性组合导航系统
1．7 非线性滤波方法研究现状
参考文献

第2章 航天器姿轨一体化相关理论基础
2．1 引言
2．2 数学理论基础
2．2．1 四元数
2．2．2 对偶数
2．2．3 对偶四元数
2．2．4 四元数与对偶四元数的对数运算
2．3 非线性控制理论基础
2．3．1 稳定性理论及预备知识
2．3．2 滑模变结构控制
2．3．3 有限时间控制
2．4 小结
参考文献

第3章 航天器姿轨一体化动力学建模与跟踪控制
3．1 引言
3．2 常用坐标系定义
3．3 对偶质量与对偶动量
3．4 航天器姿轨一体化动力学模型
3．4．1 单航天器姿轨一体化动力学模型
3．4．2 航天器质心相对姿轨一体化动力学模型
3．4．3 航天器非质心相对姿轨一体化动力学模型
3．5 单航天器姿轨一体化鲁棒跟踪控制
3．5．1 线性滑模变结构控制器设计
3．5．2 类PD鲁棒控制器设计
3．6 数学仿真及结果分析
3．7 小结
参考文献

第4章 航天器姿轨一体化有限时间相对控制方法
4．1 引言
4．2 终端滑模控制器设计
4．2．1 一般终端滑模控制算法
4．2．2 自适应终端滑模控制算法
4．3 快速滑模控制器
4．3．1 航天器类拉格朗日相对运动模型
4．3．2 快速滑模控制算法
4．3．3 不同滑模面的收敛时间分析
4．4 数学仿真及结果分析
4．5 小结
参考文献

第5章 基于偏差对偶四元数的滑模变结构控制
5．1 引言
5．2 基于偏差对偶四元数的相对姿轨一体化控制
5．2．1 控制律设计
5．2．2 仿真结果与分析
5．3 两种控制算法的比较
5．4 小结
参考文献

第6章 航天器姿轨一体化其他控制方法
6．1 引言
6．2 姿轨耦合有限时间控制
6．2．1 外部干扰和模型不确定性
6．2．2 有限时间控制器
6．3 姿轨耦合自适应控制
6．4 仿真分析
6．5 小结
参考文献

第7章 基于特征测量的航天器相对导航理论基础
7．1 引言
7．2 坐标系定义
7．3 基于多种几何特征的视觉测量模型
7．3．1 基于特征点的视觉测量模型
7．3．2 基于特征线的视觉测量模型
7．3．3 基于特征圆的视觉测量模型
7．4 基于特征测量的相对位姿估计算法
7．4．1 L-M迭代算法
7．4．2 EKF算法
7．4．3 UKF算法
7．5 数学仿真及结果分析
7．5．1 基于单一特征的相对视觉导航
7．5．2 基于多种特征的相对视觉导航
7．5．3 不同特征配置对估计精度的影响
7．6 小结
参考文献

第8章 基于特征线的单目视觉相对位姿确定算法
8．1 引言
8．2 相对导航坐标系定义及摄像机模型
8．2．1 坐标系定义
8．2．2 视觉相机投影模型
8．3 基于特征直线的相对位姿确定算法
8．3．1 基本原理
8．3．2 位姿转移对偶四元数估计
8．3．3 估计方程线性化迭代算法
8．4 数学仿真及结果分析
8．5 小结
参考文献

第9章 多自然特征信息融合的相对位姿确定算法
9．1 引言
9．2 相对导航坐标系定义及摄像机模型
9．2．1 坐标系定义
9．2．2 视觉相机投影模型
9．3 多自然特征描述方法
9．3．1 特征直线的对偶数描述
9．3．2 特征点的对偶数描述
9．4 基于特征点的相对位姿确定算法
9．4．1 基本原理
9．4．2 位姿转移对偶四元数估计
9．4．3 估计方程线性化迭代算法
9．5 基于特征点、线融合的相对位姿确定算法
9．5．1 基本原理
9．5．2 点线融合位姿确定迭代算法
9．6 数学仿真及结果分析
9．6．1 基于特征点的相对位姿参数确定算法验证
9．6．2 基于特征点、线融合的相对位姿参数确定算法验证
9．7 小结
参考文献

第10章 基于对偶四元数的相对导航EKF算法
10．1 引言
10．2 扩展卡尔曼滤波器基本原理
10．3 视觉导航扩展卡尔曼滤波算法
10．3．1 相对运动状态方程的建立
10．3．2 相对运动测量方程的建立
10．4 视觉／惯性器件组合导航扩展卡尔曼滤波算法
10．4．1 相对运动状态方程的建立
10．4．2 相对运动测量方程的建立
10．5 数学仿真及结果分析
10．5．1 轨迹发生器
10．5．2 视觉导航扩展卡尔曼滤波算法仿真条件、结果及分析
10．5．3 视觉/惯性器件组合导航仿真条件、结果及分析
10．5．4 基于视觉EKF算法与视觉／惯性器件组合导航仿真结果比较
10．6 小结
参考文献

第11章 航天器相对导航鲁棒滤波方法
11．1 引言
11．2 基于强跟踪滤波的相对导航方法
11．2．1 传统强跟踪滤波器
11．2．2 改进强跟踪滤波器
11．2．3 滤波器稳定性分析
11．2．4 数学仿真及结果分析
11．3 基于鲁棒无迹卡尔曼滤波的相对导航方法
11．3．1 单比例因子鲁棒无迹卡尔曼滤波
11．3．2 多比例因子鲁棒无迹卡尔曼滤波
11．3．3 数学仿真及结果分析
11．4 小结
参考文献

《现代飞行器导航、制导与控制系统设计与实现》 书籍简介 本书深入探讨了现代飞行器，特别是航空航天领域中导航、制导与控制（GNC）系统的核心理论、关键技术及其工程实现。本著作旨在为飞行器系统工程师、控制理论研究人员以及相关专业的高年级本科生和研究生提供一本全面且具有实践指导意义的参考书。全书内容紧密围绕飞行器在复杂环境下的高精度、高鲁棒性运行需求展开，系统梳理了从基础理论构建到实际系统集成的全过程。 本书内容结构清晰，逻辑严密，共分为七大部分，涵盖了从系统建模、状态估计到轨迹优化与精确控制的完整技术链条。 第一部分：飞行器动力学与气动特性基础 本部分首先回顾了经典的牛顿力学在飞行器运动描述中的应用，重点阐述了刚体动力学方程的建立，并针对不同类型的飞行器（如固定翼飞机、直升机、导弹和无人机）的特点，详细推导了其在空气动力作用下的非线性运动方程。特别地，我们对高超声速飞行器面临的复杂气动效应（如激波、边界层转捩）进行了深入分析，并介绍了如何利用CFD仿真数据对气动模型进行辨识和修正，以提高后续控制设计的精度。此外，本章还引入了环境扰动模型，包括风场湍流、大气密度不确定性等，为后续的鲁棒性设计奠定基础。 第二部分：导航系统原理与先进传感器技术 导航是GNC系统的基石。本部分详尽阐述了现代导航系统的构成、工作原理及误差来源。内容涵盖了惯性导航系统（INS）的误差漂移特性分析，以及如何通过周期性或连续性地使用外部参考进行比对，实现导航误差的有效抑制。重点章节详细介绍了全球导航卫星系统（GNSS）的信号接收、抗干扰和抗欺骗技术。此外，本书还对视觉导航（基于特征点匹配、SLAM技术）和激光雷达（LiDAR）在复杂环境下的相对导航和绝对定位技术进行了深入探讨，并比较了各类传感器的融合优势与劣势。 第三部分：先进状态估计与数据融合 精准的状态估计是实现高精度控制的前提。本部分聚焦于如何将来自不同传感器、具有不同噪声特性的导航数据进行最优融合。首先，对经典的卡尔曼滤波（KF）理论进行了严谨的数学推导，并扩展至非线性系统中的扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF）。针对高动态飞行器可能出现的强非线性或不确定性问题，本书详细介绍了粒子滤波（PF）的应用场景及其在非高斯噪声环境下的性能优势。最后，探讨了基于最优贝叶斯估计框架下的多传感器信息融合算法，确保在传感器失效或受到严重干扰时，系统仍能维持可靠的状态估计。 第四部分：制导律设计与弹道优化 制导系统负责确定飞行器如何从当前位置到达目标位置或预定轨迹。本部分系统地介绍了经典的制导律，如比例导航制导（PN）、二阶比例导航制导（2PNS），并分析了它们在不同交战场景下的性能局限。针对精确打击和拦截任务，本书深入讲解了基于微分几何和最优控制理论的先进制导技术，包括非线性控制理论下的模型预测制导（MPG）和基于人工势场的制导方法。在弹道优化方面，我们介绍了直接配置法、伪谱法等数值优化工具，用于求解最优控制问题，以实现能耗最低或时间最短的飞行轨迹。 第五部分：飞行器控制律设计 控制系统是实现指令跟踪和扰动抑制的核心环节。本部分内容覆盖了从经典控制到现代鲁棒控制、自适应控制等多个前沿领域。首先，对线性二次型调节器（LQR）进行了详细阐述，并介绍了增益调度（Gain Scheduling）技术在不同飞行包线内维持稳定控制的设计思路。针对飞行器固有的大幅非线性和模型不确定性，本书重点介绍了鲁棒控制（如H-infinity控制）和滑模控制（SMC）的设计方法，强调如何构建具有内在鲁棒性的控制器。此外，还介绍了先进的自适应控制和模糊逻辑控制在参数变化和外部干扰下的应用。 第六部分：飞行控制系统集成与硬件实现 理论设计必须转化为可靠的工程实践。本部分关注GNC系统的软硬件集成。内容包括飞行控制计算机（FCC）的架构选择、实时操作系统的要求和任务调度策略。详细讨论了控制回路的时序设计、数据总线（如MIL-STD-1553B, ARINC 429）的通信协议以及系统级的时间延迟分析。特别地，本书强调了对控制系统进行故障诊断与隔离（FDI）的重要性，并介绍了基于残差检测和模型匹配的FDI方法，以提升系统的安全性与可靠性。 第七部分：仿真、测试与验证方法 系统的可靠性验证是飞行器研制过程中不可或缺的一环。本部分详细介绍了GNC系统的多级仿真测试流程，包括：基于MATLAB/Simulink的半物理仿真（Hardware-in-the-Loop, HIL）环境搭建；硬件在环测试中对传感器模型、环境模型的精确度要求；以及飞行试验中的数据后处理与评估方法。本书倡导采用形式化验证方法对关键控制算法的安全性进行前置验证，确保控制系统的设计满足严格的适航/适飞标准。 本书的特点在于其理论深度与工程实践的紧密结合，大量的工程实例和清晰的数学推导，使读者不仅能理解GNC系统的“为什么”，更能掌握“如何做”。它将作为一本全面的技术手册，指导新一代飞行器实现更智能、更精确的自主运行能力。

评分☆☆☆☆☆

阅读《航天器姿轨一体化动力学与控制技术》这本书，我首先感受到的是一种来自中国航天领域的自信与实力。作为“中国航天技术进展丛书”中的一员，它承载着中国在航天技术前沿探索的成果。这本书的语言风格非常学术化，充满了专业术语和严谨的数学推导，这让我这样一个在其他领域工作的读者，在阅读时感到了一定的挑战。我努力去理解其中关于航天器姿态动力学方程的建立，以及轨道动力学的一些基础理论，试图将这些抽象的概念与航天器在太空中实际的运动轨迹联系起来。书中对姿态和轨道控制的“一体化”处理，让我觉得非常新颖，它不再是将这两个问题割裂开来分别解决，而是强调它们之间的相互影响和协同优化。这一点对于提高航天器的任务效率和经济性至关重要。尽管我无法完全消化书中的所有内容，但通过阅读，我深刻体会到了航天器设计和控制的复杂性，以及中国航天人在这些领域付出的艰辛努力和取得的巨大成就。这本书更像是一份为专业人士准备的技术报告，它真实地反映了中国航天技术的发展水平，也激励着人们不断探索更远的星辰大海。

评分☆☆☆☆☆

《航天器姿轨一体化动力学与控制技术》这本书，给我的感觉就像是在拆解一件极其精密的机械玩具，但这个玩具是在外太空运行的。从外观上看，它就充满了专业书籍的质感，厚重而严谨。我试图去理解那些图表和公式背后的含义，比如航天器在受到各种外力干扰时，是如何保持平衡的，又是如何调整自己的方向和速度的。书中对于“姿轨一体化”的论述，让我觉得非常有启发性，它意味着航天器的每一个动作，无论是姿态的调整还是轨道的修正，都需要考虑到整体的协调性，不能顾此失彼。这一点对于我理解航天器执行复杂任务的逻辑非常重要。虽然我不是航天领域的专业人士，但书中一些通俗易懂的解释，比如通过类比来介绍复杂的动力学概念，还是让我受益匪浅。我尤其关注了书中关于控制算法的介绍，它们就像是航天器的“大脑”，指挥着它在太空中做出正确的决策。这本书让我看到，航天器在太空中的每一次精准飞行，都是无数科学家和工程师智慧的结晶，背后蕴藏着深厚的理论基础和精湛的技术实力。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本《航天器姿轨一体化动力学与控制技术》纯属偶然，当时只是在书店随意翻阅，没想到却被书中那股浓厚的科学探索氛围深深吸引。不同于那些市面上常见的科普读物，这本书更像是一本为航天工程师和研究人员量身打造的“内功秘籍”。我尝试着去理解其中的一些核心概念，比如如何精确描述航天器在太空中的姿态变化，以及如何通过精密的控制系统来修正其轨道偏差。书中的数学模型和理论推导，对我来说就像是打开了一扇通往宇宙奥秘的大门，让我看到了航天器能够在茫茫宇宙中精确运行的背后，是多么严谨的科学原理和多么尖端的工程技术在支撑。我尤其对书中关于“一体化”的理念印象深刻，这意味着姿态和轨道不再是独立的控制目标，而是需要协同工作，共同完成任务。这就像是太空中一场精密的“芭蕾”，每一个动作都必须协调一致。尽管书中涉及大量专业术语和复杂的数学公式，我并不敢说自己完全领会了书中的每一个细节，但我依然能感受到作者在传递一种严谨的科学态度和对工程实践的深刻洞察。对于那些渴望了解航天器背后“硬核”技术的朋友，这本书绝对是一个不容错过的选择，它会让你对航天事业有更深层次的理解。

评分☆☆☆☆☆

当我第一次翻开《航天器姿轨一体化动力学与控制技术》这本书时，首先映入眼帘的是那些密集的公式和专业的图示，这让我立刻意识到这是一本高度专业化的书籍。作为“中国航天技术进展丛书”的一员，它显然聚焦于中国在航天领域最前沿的技术突破。我努力地去理解书中所阐述的航天器姿态动力学方程，以及轨道动力学的基本原理，并试图将它们与航天器在太空中的实际运动模式联系起来。书中关于姿态和轨道控制“一体化”的深入探讨，是让我最为着迷的部分。它不再是将姿态和轨道作为两个独立的控制问题来处理，而是强调它们之间的相互耦合与协同优化，旨在实现更高效、更精准的控制。这对于我这样一个对航天器任务设计和执行过程充满好奇的人来说，具有极大的吸引力。尽管书中大量的数学推导和专业术语对我构成了一定的挑战，但我仍能从中感受到作者严谨的科学态度和对航天工程实践的深刻理解。这本书不仅仅是一本技术手册，更是中国航天技术发展的一个缩影，展现了中国在该领域不断进取的精神和取得的卓越成就。

评分☆☆☆☆☆

《航天器姿轨一体化动力学与控制技术》这本书，我拿到手的时候，其实是带着一种既好奇又有点忐忑的心情。毕竟“航天器姿轨一体化动力学与控制技术”听起来就不是那种轻松易懂的书籍，更何况它还属于“中国航天技术进展丛书”这样一个系列，这暗示着它的专业性和前沿性。翻开第一页，我就被密密麻麻的公式和图表吸引住了，这些内容瞬间就把我拉回了大学时代学习工程力学和自动控制的那些日子。我努力地去理解其中的一些概念，比如姿态动力学方程的推导，还有轨道动力学的基本原理，试图将它们与实际的航天器在太空中是如何飞行、如何保持稳定联系起来。虽然有些章节的数学推导过程对我来说颇具挑战，需要反复阅读和思考，但每次能够理解一小部分，都觉得收获巨大。作者在解释一些复杂理论时，也尝试用比较直观的方式来阐述，比如通过类比或者举例，这让我这个非专业读者也能感受到其中蕴含的智慧和工程上的精妙。我特别关注了书中关于姿态稳定和轨道控制相结合的部分，这是我最感兴趣的内容，因为它直接关系到航天器能否准确地完成任务，比如对地观测、深空探测或者空间站的对接。书中对这些一体化控制策略的探讨，让我看到了航天器设计和运行背后复杂而又精密的系统工程。这本书虽然有深度，但我相信对于有一定工程背景或者对航天领域充满热情的朋友来说，它绝对是一本值得深入研究的宝藏。