航天器协同飞行动力学与控制PDF电子书下载

第1章 概论 1

1.1 引言 1

1.2 分布式航天器系统与航天器协同飞行 1

1.2.1 分布式航天器系统概念的提出 1

1.2.2 航天器协同飞行的优势与挑战 5

1.3 航天器协同飞行的典型计划 8

1.3.1 TechSat-21计划 9

1.3.2 F6项目与Pleiades计划 11

1.3.3 SAMSON计划 16

1.4 航天器协同飞行动力学与控制研究综述 17

1.4.1 动力学建模 17

1.4.2 轨迹设计与制导 20

1.4.3 分布式协同控制 24

1.4.4 发展趋势 32

1.5 本书内容安排 35

参考文献 39

第2章 航天器相对运动模型 53

2.1 引言 53

2.2 相对轨道运动模型 53

2.2.1 坐标系 54

2.2.2 基于CRSV变量的参考轨道描述方法 55

2.2.3 考虑J2项摄动的精确相对运动模型 58

2.2.4 相对运动模型的简化 60

2.2.5 其他常用典型线性相对运动模型 65

2.3 相对姿态运动模型 78

2.3.1 姿态运动学与动力学方程 78

2.3.2 相对姿态动力学和运动学模型 85

2.4 轨道和姿态耦合相对运动模型 89

参考文献 95

第3章 非线性相对运动模型的周期解及应用 96

3.1 引言 96

3.2 周期解求解方法 96

3.2.1 解析法 97

3.2.2 数值法 99

3.3 圆参考轨道非线性相对运动模型的周期解 101

3.3.1 相对运动模型的求解 101

3.3.2 周期性条件与周期解 105

3.3.3 周期性条件与周期解的验证 106

3.4 椭圆参考轨道非线性相对运动模型的周期解及应用 117

3.4.1 相对运动模型的求解 117

3.4.2 周期性条件与周期解 123

3.4.3 周期性条件与周期解的验证 126

3.4.4 基于周期解的航天器编队保持 141

3.5 考虑J2项摄动非线性相对运动模型的周期解及应用 145

3.5.1 基于微分修正的周期性条件 145

3.5.2 基于傅里叶分析与多庞加莱截面法求解周期解 147

3.5.3 周期性条件与周期解的验证 149

3.5.4 基于周期解的航天器编队保持 157

附录A 160

参考文献 166

第4章 航天器相对运动最优重构与协同制导 168

4.1 引言 168

4.2 周期相对运动构型的参数化 168

4.2.1 圆参考轨道几何构型的参数化 169

4.2.2 椭圆参考轨道几何构型的参数化 171

4.3 基于非线性相对运动模型的最优重构问题及其求解 177

4.3.1 问题描述 177

4.3.2 不考虑J2项摄动的最优重构求解 179

4.3.3 考虑J 2项摄动的最优重构求解 192

4.4 多航天器编队构型重构的分层优化协同制导 200

4.4.1 问题描述 200

4.4.2 基于高斯变分方程的底层路径规划 200

4.4.3 基于0-1规划的顶层协同 207

4.4.4 仿真算例与分析 208

4.5 多航天器编队构型重构的整体优化协同制导 211

4.5.1 编队系统的动力学模型 212

4.5.2 编队重构整体优化 213

4.5.3 仿真算例与分析 217

4.6 本章小结 224

附录B 226

参考文献 228

第5章 基于相对E／I矢量的航天器协同飞行轨道设计与制导 230

5.1 引言 230

5.2 基于相对E／I矢量的相对运动模型 231

5.2.1 相对E／I矢量的定义 231

5.2.2 相对E／I矢量描述的相对运动 234

5.2.3 J2项摄动影响 238

5.3 基于相对E／I矢量的编队飞行安全轨道设计与制导 245

5.3.1 碰撞规避分析与安全性要求 245

5.3.2 编队飞行轨道设计与制导 247

5.3.3 仿真分析 251

5.4 基于相对E／I矢量的航天器集群飞行轨道优化设计 260

5.4.1 问题描述 260

5.4.2 算例分析 264

参考文献 274

第6章 航天器协同飞行的一致性控制 276

6.1 引言 276

6.2 一致性问题相关理论与应用 277

6.2.1 图论与代数图论基础 277

6.2.2 线性一阶系统的一致性算法 280

6.2.3 线性二阶系统的一致性算法 288

6.2.4 一致性理论在多自主体协同控制中的应用 295

6.3 典型协同控制方法的一致性控制描述 304

6.3.1 主从式控制 304

6.3.2 虚拟结构式控制 308

6.3.3 行为式控制 312

6.4 基于一致性理论的多航天器分布式协同控制 313

6.4.1 问题描述与控制结构 313

6.4.2 参考点一致性估计 316

6.4.3 制导指令计算 317

6.4.4 控制律设计 318

6.4.5 仿真研究 322

参考文献 332

第7章 基于循环追踪的航天器协同飞行控制 335

7.1 引言 335

7.2 循环矩阵和旋转矩阵 335

7.2.1 循环矩阵与块循环矩阵 335

7.2.2 旋转矩阵 337

7.3 循环追踪算法 337

7.3.1 线性一阶系统的循环追踪算法 338

7.3.2 线性二阶系统的循环追踪算法 350

7.4 航天器协同飞行的循环追踪控制与仿真 357

7.4.1 追踪轨迹与航天器协同飞行自然构型的匹配 360

7.4.2 仿真研究 364

参考文献 374

第8章 航天器集群飞行的蜂拥控制 375

8.1 引言 375

8.2 蜂拥与航天器集群飞行 375

8.2.1 蜂拥的基本概念 375

8.2.2 航天器集群飞行的特点 377

8.3 蜂拥模型与控制算法 378

8.3.1 Boids模型 379

8.3.2 蜂拥控制算法的数学基础 380

8.3.3 Oflati - Saber蜂拥控制的基本算法 382

8.3.4 仿真算例与分析 388

8.4 航天器集群飞行的初始条件与蜂拥控制算法 395

8.4.1 初始条件要求与配置 395

8.4.2 蜂拥控制算法设计与仿真 408

8.5 基于周期延迟误差同步的航天器集群蜂拥控制 419

8.5.1 周期延迟误差状态方程 419

8.5.2 最优协同控制律设计 421

8.5.3 周期延迟误差同步与能量匹配的关系 428

8.5.4 仿真研究 431

8.6 本章小结 444

参考文献 446

第9章 基于多Lagrangian系统一致性算法的航天器协同飞行6自由度控制 449

9.1 引言 449

9.2 航天器6自由度相对运动的Lagrangian模型 449

9.2.1 Lagrangian方程 449

9.2.2 航天器相对姿态运动的Lagrangian方程 451

9.2.3 航天器相对轨道运动的Lagrangian方程 454

9.2.4 姿轨控制推力器配置与控制分配 455

9.2.5 航天器协同飞行的6自由度控制方程 458

9.3 多Lagrangian系统的分布式一致性算法 459

9.3.1 线性一致性算法 460

9.3.2 非线性一致性算法 463

9.4 多航天器协同飞行6自由度控制律设计与仿真 466

9.4.1 交会对接任务的非线性控制律设计与仿真 467

9.4.2 编队飞行任务的非线性控制律设计与仿真 474

9.4.3 编队飞行任务的循环追踪控制律设计与仿真 478

9.5 本章小结 486

参考文献 488

第10章 基于动力学分解的多航天器协同飞行6自由度控制 489

10.1 引言 489

10.2 多航天器协同飞行动力学建模 491

10.2.1 坐标系定义 491

10.2.2 单航天器动力学模型 492

10.2.3 多航天器协同飞行的动力学分解模型 495

10.3 基于动力学分解模型的控制律设计与分析 507

10.3.1 控制律设计 507

10.3.2 实现方式与性能分析 508

10.4 仿真研究 517

10.4.1 计算流程 517

10.4.2 任务设计和参数设置 518

10.4.3 控制方法的有效性验证与分析 519

10.4.4 控制性能的仿真验证 529

附录C 534

参考文献 536

第11章 航天器协同飞行的自主运行体系 537

11.1 引言 537

11.2 Agent与多Agent系统 538

11.2.1 Agent的定义 539

11.2.2 MAS的概念 539

11.2.3 MAS的体系结构 541

11.3 基于MAS的航天器系统自主运行体系 543

11.3.1 航天器的智能程度 543

11.3.2 单航天器自主运行体系 544

11.3.3 多航天器协同飞行自主运行体系 549

11.4 多航天器系统的动态联邦式MAS结构建模 555

11.4.1 多航天器系统的动态联邦式MAS结构 555

11.4.2 多航天器系统的通信结构 557

11.4.3 多航天器系统的功能Sub - Agent 559

11.4.4 功能Sub-Agent间的信息流模型 561

参考文献 564

第12章 航天器协同飞行的自主任务分配 565

12.1 引言 565

12.2 基于合同网协议的自主任务分配方法 565

12.2.1 基于传统合同网协议的任务分配 566

12.2.2 改进的合同网协议 570