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第1章 绪论 1

1.1 航天器姿态控制内涵 1

1.2 航天器姿态控制概述 2

1.3 航天器高品质姿态控制概念 3

1.4 本书结构 7

参考文献 8

第2章 航天器运动数学模型 9

2.1 坐标系 10

2.2 姿态描述 11

2.2.1 旋转矩阵 11

2.2.2 旋转矢量 11

2.2.3 单位四元数 15

2.3 角速度 17

2.4 航天器姿态运动学 19

2.4.1 利用旋转矢量的姿态运动学 19

2.4.2 利用单位四元数的姿态运动学 21

2.5 航天器误差姿态运动学 22

2.5.1 利用误差旋转矢量的误差姿态运动学 22

2.5.2 利用单位误差四元数的误差姿态运动学 23

2.6 刚性航天器姿态动力学 24

2.6.1 单刚体动力学方程 24

2.6.2 带有飞轮的刚性航天器动力学 26

2.7 挠性航天器姿态动力学 30

2.7.1 空间连续方程 30

2.7.2 空间离散化方程 32

2.7.3 简化方程及其矢量表示 34

2.7.4 简化方程向量表示 35

2.8 充液航天器姿态动力学 36

2.8.1 质量特性 37

2.8.2 矢量方程 39

2.8.3 方程简化及其矢量表示 42

2.8.4 简化方程标量表示 45

参考文献 47

第3章 航天器运动状态确定 49

3.1 航天器角运动状态空间方程 50

3.1.1 航天器角运动 50

3.1.2 陀螺测量模型 51

3.1.3 星敏感器测量模型 53

3.2 航天器线运动状态空间方程 56

3.2.1 航天器线运动 56

3.2.2 加速度计测量模型 57

3.2.3 导航敏感器测量模型 58

3.3 航天器角运动状态确定 60

3.3.1 航天器角运动状态外推 61

3.3.2 航天器角运动状态修正 70

3.3.3 陀螺在轨标定 77

3.3.4 嫦娥三号着陆器的陀螺在轨标定结果 82

3.4 航天器线运动状态确定 83

3.4.1 加速度计在轨标定 84

3.4.2 航天器线运动状态外推：惯性导航算法 85

3.4.3 航天器线运动状态修正 90

3.4.4 嫦娥三号着陆器线运动飞行结果 91

参考文献 92

第4章 刚体航天器高品质姿态控制 93

4.1 姿态控制基本问题 95

4.2 姿态控制一般架构 97

4.3 分区四元数姿态控制 99

4.3.1 期望角速度设计 99

4.3.2 控制力矩设计 102

4.4 分区四元数姿态控制品质 103

4.4.1 姿态动力学收敛性 103

4.4.2 姿态运动学收敛性 111

4.4.3 分区四元数姿态控制的仿真验证 116

4.5 分区四元数PID控制 127

4.6 姿态控制指令的生成 128

4.7 嫦娥三号着陆器动力下降过程姿态控制 129

4.7.1 动力下降控制任务 129

4.7.2 制导、导航与控制系统组成 130

4.7.3 姿态控制实现 131

4.7.4 嫦娥三号着陆器姿态控制飞行结果 132

参考文献 133

第5章 挠性航天器高品质姿态控制 134

5.1 姿态控制与振动抑制问题 135

5.2 姿态控制与振动抑制架构 138

5.3 挠性航天器在轨辨识 140

5.3.1 状态空间方程 140

5.3.2 时域辨识方法 142

5.3.3 在轨辨识应用 146

5.4 挠性航天器控制规律设计：经典频域控制方法 150

5.4.1 挠性航天器传递函数 150

5.4.2 控制系统与挠性振动相互作用 152

5.4.3 增益相位稳定化的滤波器设计 156

5.5 挠性航天器控制规律设计：模态分离方法 163

5.5.1 基于模态分离的姿态控制 163

5.5.2 模态分离基本思想 164

5.5.3 模态分离算法 165

5.5.4 基于非约束模态的控制规律设计 171

5.5.5 闭环控制系统稳定性 173

5.5.6 模态分离器与控制规律结合 174

5.6 挠性航天器稳态高精度和高稳定度姿态控制 174

5.6.1 角动量反馈 174

5.6.2 姿态控制精度和稳定度分析 177

5.7 挠性航天器姿态快速机动控制 180

5.7.1 方波序列姿态控制基础 180

5.7.2 方波序列姿态控制算法 183

5.7.3 方波序列姿态控制仿真验证 185

5.8 挠性航天器双通道姿态控制 187

5.8.1 姿态控制通道 188

5.8.2 振动抑制通道 189

5.8.3 双通道姿态控制稳定性 190

参考文献 191

第6章 充液航天器高品质姿态控制 193

6.1 充液航天器姿态控制复杂性 194

6.1.1 角运动与液体晃动相互作用 197

6.1.2 线运动与液体晃动相互作用 198

6.1.3 线运动和角运动的能控能观性 200

6.2 姿态控制与液体晃动抑制架构 202

6.3 月球着陆器在主减速阶段的制导和控制 204

6.3.1 动力显式制导 204

6.3.2 自适应动力显式制导 209

6.3.3 姿态控制和液体晃动抑制：经典频域控制方法 213

6.3.4 姿态控制和液体晃动抑制：模态分离方法 218

6.4 月球着陆器在悬停避障阶段的制导和控制 221

6.4.1 制导规律：考虑了液体晃动抑制的水平向控制加速度设计 224

6.4.2 制导规律：垂向控制加速度设计 226

6.4.3 姿态控制规律 228

参考文献 228

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