第1章 绪论 1
1.1 交会对接的基本概念 1
1.2 交会对接的阶段划分 2
1.2.1 待发段 2
1.2.2 发射段 3
1.2.3 远距离导引段 3
1.2.4 近距离自主控制段 3
1.2.5 对接段 5
1.2.6 组合体运行段 6
1.2.7 撤离段 6
1.2.8 返回再入段 6
1.3 交会对接技术发展概况 6
1.3.1 概述 6
1.3.2 交会对接任务分类 13
1.3.3 典型的交会对接飞行案例 19
1.3.4 交会对接技术未来发展趋势 28
1.4 交会对接制导、导航与控制系统 29
1.4.1 测量敏感器 29
1.4.2 执行机构 32
1.4.3 控制器 33
参考文献 34
第2章 交会对接运动学和动力学 35
2.1 坐标系定义 35
2.2 航天器轨道动力学 37
2.2.1 二体运动 37
2.2.2 轨道根数 37
2.2.3 轨道摄动方程 38
2.2.4 摄动加速度 39
2.3 航天器姿态运动学和动力学 40
2.3.1 姿态运动学方程 40
2.3.2 姿态动力学方程 43
2.3.3 空间环境力矩 45
2.4 相对位置运动描述 46
2.4.1 圆轨道直角坐标系下的相对运动 46
2.4.2 椭圆轨道直角坐标系下的相对运动 50
2.4.3 视线坐标系下的相对运动 51
2.4.4 圆柱坐标系下的相对运动 54
2.5 相对姿态运动描述 58
2.5.1 目标姿态小角度相对姿态动力学方程 58
2.5.2 旋转目标相对姿态动力学方程 60
2.6 坐标系和动力学方程选择 61
参考文献 62
第3章 交会对接导航方法及方案设计 63
3.1 概述 63
3.1.1 相对测量系统 63
3.1.2 相对导航算法 67
3.2 测量敏感器 67
3.2.1 惯性测量敏感器 67
3.2.2 卫星导航设备 70
3.2.3 微波雷达 72
3.2.4 激光雷达 75
3.2.5 成像式交会对接敏感器 77
3.3 导航滤波方法 85
3.3.1 贝叶斯估计理论 85
3.3.2 线性最小方差估计 86
3.3.3 卡尔曼滤波 87
3.3.4 确定性采样滤波 88
3.3.5 粒子滤波 113
3.4 导航方案设计 116
3.4.1 概述 116
3.4.2 绝对轨道参数估计 117
3.4.3 相对位置参数估计 119
3.4.4 相对姿态参数估计 129
3.4.5 相对位姿参数联合估计 136
3.5 导航系统设计要点 142
参考文献 142
第4章 交会对接制导方法及方案设计 145
4.1 引言 145
4.2 轨道控制交会制导 146
4.2.1 Hohmann交会 146
4.2.2 Lambert交会 147
4.2.3 基于轨道根数的交会 148
4.3 多脉冲最优交会制导方法 153
4.3.1 邻近圆轨道最优脉冲交会模式分布 153
4.3.2 小偏心率椭圆轨道到圆轨道最优脉冲交会模式分布 155
4.3.3 多脉冲最优交会制导律设计 168
4.4 CW制导方法 170
4.4.1 两脉冲制导策略 170
4.4.2 交会时间和燃料消耗分析 172
4.4.3 两脉冲制导的交会时间确定 175
4.5 视线制导方法 176
4.5.1 视线制导策略 176
4.5.2 稳定性分析 177
4.6 远距离导引段制导方案设计 180
4.6.1 长周期远距离导引变轨方案 180
4.6.2 快速交会对接远距离导引变轨方案 184
4.7 寻的段制导方案设计 191
4.7.1 寻的段初末状态和寻的时间确定 191
4.7.2 多脉冲最优制导策略 192
4.7.3 制导精度分析 192
4.7.4 仿真分析 194
4.8 接近段制导方案设计 197
4.8.1 CW制导策略 198
4.8.2 视线制导策略 198
4.8.3 联合制导策略 199
4.8.4 仿真分析 199
4.9 交会对接制导方案设计要点 203
参考文献 203
第5章 交会对接自动控制方法及方案设计 205
5.1 引言 205
5.2 被控对象的特征建模 206
5.2.1 重要引理 206
5.2.2 特征模型 207
5.2.3 仿真验证 214
5.3 基于特征模型的智能自适应控制方法 220
5.3.1 黄金分割自适应控制 221
5.3.2 逻辑微分控制 225
5.3.3 黄金分割与相平面相结合的控制方法 249
5.3.4 逻辑微分与相平面相结合的控制方法 252
5.4 交会对接控制方案设计 254
5.4.1 变轨过程中的姿态稳定控制 254
5.4.2 高精度相对位置和相对姿态的六自由度控制 257
5.4.3 保持点的长时间相对位置控制 261
5.5 交会对接控制系统设计要点 262
参考文献 263
第6章 交会对接人工控制方法及方案设计 265
6.1 引言 265
6.2 测量原理与方案设计 267
6.2.1 人控交会对接敏感器 267
6.2.2 相对运动状态确定方法 272
6.2.3 图像和数据显示 275
6.3 控制方法与方案设计 277
6.3.1 控制手柄 277
6.3.2 相对运动控制方法 278
6.4 操作方法 280
6.4.1 交会速度控制 280
6.4.2 横向位置和追踪器姿态控制 280
6.4.3 仿真结果 282
参考文献 286
第7章 发动机配置及控制指令分配理论与设计 287
7.1 引言 287
7.1.1 典型发动机配置 289
7.1.2 控制指令分配方法简介 294
7.1.3 发动机配置设计方法简介 297
7.2 问题的数学描述 298
7.2.1 发动机配置矩阵 298
7.2.2 控制指令分配的数学模型 299
7.3 控制指令分配理论与设计 299
7.3.1 控制指令分配方法 300
7.3.2 性能分析 312
7.3.3 控制指令分配算法综合设计 320
7.4 发动机配置理论与设计 325
7.4.1 性能要求 325
7.4.2 性能分析 328
7.4.3 设计方法 346
参考文献 365
第8章 交会对接的安全性设计 370
8.1 引言 370
8.2 基于长方形禁飞区的安全轨迹设计 371
8.2.1 自由漂移轨迹特性分析 371
8.2.2 安全轨迹设计的特征点及其性质 378
8.2.3 寻的段和接近段安全轨迹设计 383
8.2.4 绕飞段安全轨迹设计 392
8.2.5 仿真算例 395
8.3 基于长方形禁飞区的轨迹安全性判断 400
8.3.1 极值型特征点及其性质 400
8.3.2 相交型特征点及其性质 402
8.3.3 轨迹安全性判断方法 404
8.3.4 仿真算例 408
8.4 轨迹安全设计方法 409
8.4.1 被动轨迹安全设计 409
8.4.2 主动避撞设计 416
8.5 基于安全带的轨迹安全性判断和避撞策略 424
8.5.1 轨迹的安全带 424
8.5.2 基于制导脉冲的轨迹安全带和制导策略 424
8.5.3 仿真分析 427
8.6 交会对接任务安全性设计 429
8.6.1 系统设计 429
8.6.2 飞行方案设计 431
参考文献 433
第9章 交会对接地面仿真验证 434
9.1 引言 434
9.1.1 仿真系统分类 434
9.1.2 仿真技术发展概况 435
9.2 数学仿真 438
9.2.1 系统组成 438
9.2.2 误差源 440
9.2.3 仿真要求 443
9.2.4 仿真工况 443
9.2.5 模拟器 444
9.3 半物理仿真 450
9.3.1 九自由度半物理仿真验证系统 450
9.3.2 自控半物理仿真验证 455
9.3.3 人控半物理仿真验证 457
参考文献 460
第10章 交会对接在轨飞行验证 461
10.1 引言 461
10.2 “神舟”飞船交会对接自动控制系统 462
10.2.1 系统组成与飞行阶段 462
10.2.2 导航、制导与控制方案设计 465
10.2.3 导航、制导及控制精度分析 468
10.2.4 在轨验证 470
10.2.5 小结 470
10.3 “神舟”飞船交会对接人工控制系统 471
10.3.1 交会对接人控系统组成 471
10.3.2 人控交会对接相对状态判断 472
10.3.3 人控交会对接控制方法 473
10.3.4 人控交会对接操作方法 473
10.3.5 在轨验证 474
10.3.6 小结 476
10.4 展望 476
参考文献 476
