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第0章 绪论 1

0.1 深空探测的意义 2

0.2 深空探测概况 2

0.3 深空探测动力学与控制新问题 4

0.4 本书的内容 5

0.4.1 脉冲推进和连续小推力轨道设计 5

0.4.2 深空探测自主导航技术 7

0.4.3 引力辅助技术及其在深空探测中的应用 9

0.4.4 小行星附近的轨道及轨道控制 11

0.4.5 拉格朗日点周围的轨道 13

0.4.6 不变流形及其在深空探测中的应用 15

0.4.7 太阳帆航天器在深空探测中的应用 16

参考文献 17

第1章 脉冲推进深空探测轨道设计 25

1.1 引言 26

1.1.1 国外火星探测情况 26

1.1.2 本章内容和方法 28

1.2 转移轨道初步设计 30

1.2.1 日心轨道设计和发射窗口选择 30

1.2.2 地心段参数设计 33

1.2.3 火心段参数设计 38

1.3 精确模型下轨道参数修正 40

1.4 中途修正 42

1.4.1 国外深空任务中途修正案例 42

1.4.2 中途修正的理论基础 44

1.4.3 日心段中途修正策略 47

1.4.4 中途修正策略仿真及分析 50

1.5 捕获控制 54

1.5.1 行星捕获问题 55

1.5.2 燃料最优捕获策略 59

1.5.3 其他推力模型捕获参数优化问题 61

1.5.4 误差分析 64

1.6 本章小结 66

参考文献 67

第2章 深空探测光学自主导航 69

2.1 引言 70

2.1.1 深空导航的发展概况 71

2.1.2 深空自主导航系统中的光学敏感器 72

2.1.3 主要研究方法 73

2.2 深空探测自主导航建模及算法 75

2.2.1 时间及坐标系统 75

2.2.2 巡航段动力学模型 77

2.2.3 接近段动力学模型 78

2.2.4 光学自主导航观测模型 78

2.2.5 滤波算法 80

2.3 火星探测巡航段的光学自主导航方法 84

2.3.1 火星探测巡航段的标称轨道 84

2.3.2 巡航段中的光学自主导航原理 85

2.3.3 导航小行星筛选 87

2.3.4 仿真计算及分析 90

2.4 火星探测接近段中的光学自主导航方法 96

2.4.1 火星探测接近段的标称轨道 96

2.4.2 导航系统在接近段的可观测性 97

2.4.3 仿真计算及分析 98

2.5 本章小结 101

参考文献 102

第3章 深空探测引力辅助 107

3.1 引言 108

3.2 行星引力辅助的原理 110

3.2.1 引力辅助简化模型 110

3.2.2 动力甩摆 112

3.2.3 引力辅助轨道设计与优化方法 115

3.2.4 引力辅助作用效果分析 120

3.2.5 共振借力轨道及其应用 125

3.3 引力辅助方式选择与轨道设计 127

3.3.1 近地小行星探测 127

3.3.2 主带小行星探测 133

3.3.3 木星探测 144

3.4 精确动力学模型中的引力辅助 155

3.4.1 简单模型中的轨道初步设计 156

3.4.2 精确动力学模型中的轨道修正 158

3.4.3 设计算例与分析 161

3.4.4 小结 164

参考文献 164

第4章 连续推力深空探测轨道设计 167

4.1 引言 168

4.2 直接法 172

4.2.1 研究现状 172

4.2.2 轨迹优化设计的直接法 174

4.3 间接法 176

4.3.1 研究现状 176

4.3.2 轨迹优化设计的间接法 178

4.3.3 间接法应用于深空轨道设计算例 181

4.4 混合法 183

4.5 本章小结 183

参考文献 184

第5章 连续推力轨迹优化的同伦方法 191

5.1 连续推力轨迹优化与设计技术现状 192

5.2 深空探测优化问题 195

5.2.1 时间最优问题 195

5.2.2 燃料最优问题 196

5.3 约束处理 197

5.3.1 端点时间和状态给定的约束 200

5.3.2 初始时间和状态受约束 200

5.3.3 末端时间和状态受约束 201

5.3.4 中途飞越的内点约束 201

5.3.5 中途交会的内点约束 202

5.3.6 中途引力辅助的内点约束 203

5.4 燃料最优问题同伦方法求解 205

5.4.1 协态变量初值归一化 207

5.4.2 带开关函数检测的定步长积分 208

5.4.3 运用粒子群优化算法的全局优化 211

5.4.4 非线性方程求解和求解策略总结 213

5.5 引力辅助的脉冲估计 214

5.6 数值算例 216

5.6.1 从地球到金星的交会问题 216

5.6.2 从地球到木星并利用火星引力辅助的交会问题 219

5.6.3 长任务时间的近地轨道转移 223

5.7 本章小结 226

参考文献 227

第6章 连续推力轨迹优化的伪普法 233

6.1 引言 234

6.2 伪谱法的理论基础 237

6.2.1 伪谱法的数学基础：函数／积分／微分的近似 237

6.2.2 伪谱法的优化基础：非线性规划问题与KKT条件 241

6.3 伪谱离散的轨迹优化问题 242

6.3.1 连续小推力轨迹优化 242

6.3.2 时间域离散与微分矩阵 242

6.3.3 伪谱离散的轨迹优化问题 244

6.3.4 非线性规划问题及其KKT条件 245

6.4 乘子等价映射与伪谱法应用 246

6.4.1 最优控制与两点边值问题 246

6.4.2 轨迹优化中的乘子等价映射 249

6.4.3 关于乘子等价映射的讨论 250

6.4.4 伪谱法求解能量最优轨迹 253

6.5 伪谱-同伦混合方法与Bang-Bang控制 259

6.5.1 伪谱法求解燃料最优轨迹的困难 259

6.5.2 同伦技术的初始化困难 261

6.5.3 伪谱-同伦混合方法 263

6.5.4 伪谱-同伦混合法求解燃料最优轨迹 264

6.6 分块伪谱法及乘子等价映射的推广 270

6.6.1 含时变内点约束的轨迹优化问题 270

6.6.2 分块伪谱法及其非线性规划问题 272

6.6.3 基于伪谱网格的离散多点边值问题 276

6.6.4 含时变内点约束的乘子等价映射 278

6.6.5 分块伪谱法及其乘子映射的应用 285

6.7 本章小结 293

参考文献 294

第7章 小行星附近的轨道 299

7.1 引言 300

7.2 小行星附近的力学环境 303

7.2.1 轨道分布 304

7.2.2 引力作用范围 305

7.2.3 轨道运动方程 307

7.3 小行星引力场描述方法 308

7.3.1 质点群方法 308

7.3.2 球谐函数方法 310

7.3.3 多面体方法 311

7.3.4 三种方法的比较 315

7.4 小行星附近轨道平衡点与不变流形 316

7.4.1 （216）Kleopatra模型 317

7.4.2 运动方程和守恒量 319

7.4.3 平衡点 320

7.4.4 局部流形 322

7.4.5 平衡点附近的周期轨道 323

7.5 小行星附近的周期轨道 328

7.5.1 周期轨道的拓扑类型 329

7.5.2 三维周期轨道的搜索方法 331

7.5.3 算例：（216）Kleopatra 334

7.6 轨道共振与稳定性 343

7.6.1 共振轨道的能量方程 344

7.6.2 共振条件 347

7.6.3 抛射轨道的概率分布 347

7.7 本章小结 350

参考文献 350

第8章 小行星探测制导与控制 355

8.1 引言 356

8.2 小行星伴飞的常值推力控制 356

8.2.1 探测器的轨道动力学 357

8.2.2 常值小推力控制律设计 358

8.2.3 仿真算例 360

8.3 小行星附着的视线制导律 361

8.3.1 坐标系统 361

8.3.2 动力学方程 362

8.3.3 滑模制导律 362

8.3.4 算例 364

8.4 小行星着陆、起飞燃料最优控制 366

8.4.1 动力学方程 366

8.4.2 着陆过程燃料最优控制 367

8.4.3 起飞过程中的燃料最优控制问题 368

8.5 小行星飞越轨道控制分析 370

8.5.1 任务情况 370

8.5.2 基本模型 371

8.5.3 中途修正分析 372

8.5.4 光照条件分析 374

8.5.5 成像姿态调整分析 375

8.5.6 测控约束分析 377

8.5.7 星上数据存储和传输能力 378

8.5.8 小行星定轨与星历精度 378

参考文献 378

第9章 限制性三体问题中的轨道动力学与控制 381

9.1 引言 382

9.2 圆形限制性三体问题 384

9.3 拉格朗日点附近的编队 395

9.3.1 Halo轨道附近的编队控制 395

9.3.2 Halo附近的编队重构 401

9.4 基于不变流形的登月轨道设计 415

9.4.1 轨道设计过程 416

9.4.2 能量分析 419

9.5 本章小结 423

参考文献 423

附录A 427

第10章 太阳帆航天器逆行轨道 431

10.1 太阳帆航天器深空探测 432

10.2 角动量翻转逆向轨道 434

10.2.1 平面运动方程的建立 434

10.2.2 速度图 435

10.2.3 平面逆向轨道可行域 438

10.3 逆向轨道新应用 441

10.3.1 双逆向周期轨道 442

10.3.2 日心逆向转移轨道 448

10.3.3 撞击近地小行星 450

10.4 三维双逆向周期轨道 452

10.4.1 第一类三维逆向轨道 452

10.4.2 第二类三维逆向轨道 454

10.4.3 第二类三维轨道特性 457

10.5 恒星际探测轨道设计与优化 463

10.5.1 恒星际100 AU探测任务 465

10.5.2 轨道发射窗口 468

10.5.3 局部最优轨迹 468

10.6 本章小结 469

参考文献 470