深空探測太空船的導引控制技術


	深空探測太空船，簡稱深空探測器或探測器，是指對月球以及月球以外的天體與空間進行探測的太空船。對於深空探測而言，由於探測器飛行距離非常遙遠，地面干預特別困難，導引、導航與控制（GNC）系統的任務目標是實現探測器自主的軌道和姿態控制，其中，導引控制技術對於探測器完成關鍵階段的飛行控制尤為重要，例如軌道轉移控制、目標天體交會和捕獲控制、進入下降登陸控制、起飛上升控制、返回重返控制等。　　在深空探測任務過程中，導引、導航與控制系統的三個組成部分各司其職、相互配合。導航負責獲取飛行狀態資訊，導引負責制定飛行策略或確定飛行方向，控制負責實際執行，在這三者之中，導引處於核心地位。導引的嚴格定義是引導和控制太空船按照一定規律飛向目標或預定軌道的技術和方法。對於深空探測器來說，導引的主要任務是按照飛行目標或預定的飛行軌跡，確定當前實施軌跡調整所需要的控制量，即改變飛行軌跡所需要的加速度的大小、方向及後續的變化規律。該加速度可以由推進系統產生，也可以利用氣動、太陽光壓等外界環境產生。鑒於導引控制技術對深空探測的重要核心作用，本書專門針對該技術進行深入研究和探討。　　由於深空探測任務目標多種多樣，不同飛行階段所採用的導引控制技術各不相同，涉及面非常廣，在一本書中很難面面俱到。為了便於讀者理解和獲得一個整體印象，本書從導引控制技術的基本原理出發，重點圍繞軌道轉移控制、軟登陸控制、大氣進入／重返控制等幾個具有代表性的關鍵飛行過程展開。書中詳細研究論述了各階段導引控制方法的推導過程、演算法編排、模擬驗證和性能分析，並對地面試驗技術進行了簡單的介紹。　　全書內容分為4個部分，共9章。第1部分為第1章緒論，介紹導引控制技術的基本概念，對深空探測任務中導引問題的內涵、導引與導航和控制的關係、主要的導引方法等內容進行整理和歸納，並對全書的主要內容進行概括。第2部分為理論篇，包括第2、3章，分別是導引控制的動力學基礎和控制理論基礎，它們為後續章節介紹具體導引控制方法提供了基礎知識準備。第3 部分為應用篇，包括第4～8章，其中第4～7章的每一章都以一個深空探測重要的任務階段為對象，研究探討具體的導引控制技術，包括轉移接近過程、軟登陸過程、大氣進入下降過程和返回重返過程，這四個階段基本覆蓋了目前深空探測任務中主要的導引控制飛行階段。第8章作為共用技術，介紹了深空探測導引控制的地面試驗方法。第4部分是第9章，對深空探測導引控制技術未來的發展趨勢進行了展望。　　本書的主要特色如下。　　（1）本書進行了比較充分的理論方法回顧，介紹了研究深空探測導引控制技術所必須了解的坐標系系統、時間系統、動力學模型以及最優控制理論等基礎知識。這樣由淺入深的過程，非常有利於讀者對根本問題的掌握，以及對導引控制技術建立一個比較完整的概念。　　（2）本書研究討論的導引控制技術，強調的是實用性，所涉及的技術方法很多都在國內外典型的深空探測任務中得到了應用和驗證，包括阿波羅、維京、好奇號等，也包括中國的嫦娥系列月球探測器。　　（3）本書注重的是航太動力學、最優控制理論等與實際導引技術的結合，因此在敘述技術應用時會對相關的理論方法進行簡單的回顧，以便於讀者建立理論與應用之間的連繫。


	目錄第1章緒論 1.1 基本概念 1.1.1 導引、導航與控制 1.1.2 深空探測 1.2 深空探測典型任務中的導引控制技術 1.2.1 月球探測中的導引控制技術 1.2.2 火星探測中的導引控制技術 1.3 本書的主要內容參考文獻第2章天體力學基礎 2.1 參考座標系及座標變換 2.1.1 參考曆元系的定義 2.1.2 座標系之間的變換 2.2 時間系統 2.2.1 時間系統的定義 2.2.2 儒略日的定義及轉換 2.3 太空船動力學模型 2.3.1 中心體引力及形狀攝動勢函數 2.3.2 其他攝動模型 2.4 小結參考文獻第3章最佳控制基礎 3.1 最佳控制問題的提出 3.2 變分法 3.2.1 終端時刻tf給定 3.2.2 終端時刻tf自由 3.3 極小值原理 3.4 最佳控制的應用 3.4.1 最佳控制的應用類型 3.4.2 應用實例 3.5 小結參考文獻第4章星際轉移和捕獲中的導引和控制技術 4.1 軌道動力學 4.1.1 轉移段 4.1.2 接近和捕獲段 4.2 轉移段導引控制方法 4.2.1 基於B平面的脈衝式軌道修正方法 4.2.2 連續推力軌道控制方法 4.2.3 推力在軌標定技術 4.3 接近和捕獲過程的導引控制方法 4.3.1 B平面導引方法 4.3.2 自主軌道規劃方法 4.3.3 氣動捕獲技術 4.4 應用實例 4.4.1 轉移段軌道修正 4.4.2 接近段自主軌道規劃 4.5 小結參考文獻第5章月球軟登陸的導引和控制 5.1 月球軟登陸任務特點分析 865. 5.2 月球登陸動力學 5.2.1 座標系統 5.2.2 引力場和重力場 5.2.3 動力學方程 5.3 不含燃料約束的導引方法 5.3.1 重力轉彎閉環追蹤導引 5.3.2 多項式導引 5.4 燃料最佳導引方法 5.4.1 軟登陸的最佳導引問題 5.4.2 標稱軌跡法 5.4.3 重力轉彎最佳導引方法 5.4.4 顯式導引方法 5.5 定點登陸的最佳導引方法 5.5.1 定點登陸的最佳控制問題 5.5.2 基於顯式導引的定點登陸導引 5.6 應用實例 5.7 小結參考文獻第6 章火星進入過程的導引和控制技術 6.1 火星進入任務特點分析 6.1.1 火星進入環境特性分析 6.1.2 火星進入艙氣動力學特性分析 6.1.3 火星進入導引方法特點分析 6.2 基於標稱軌跡設計的解析預測校正導引方法 6.2.1 標稱軌跡設計 6.2.2 解析預測校正導引方法 6.2.3 航向校正導引方法 6.2.4 應用實例 6.3 基於阻力剖面追蹤的魯棒導引方法 6.3.1 考慮不確定性的二階阻力動力學模型 6.3.2 阻力剖面追蹤魯棒導引方法 6.3.3 改進魯棒導引方法 6.3.4 應用實例 6.4 小結參考文獻第7章高速返回地球重返過程的導引和控制技術 7.1 高速返回重返動力學模型 7.1.1 座標系的建立 7.1.2 座標系間的轉換矩陣 7.1.3 矢量形式的動力學方程 7.1.4 在半速度座標系建立質心動力學方程 7.2 高速返回重返任務特點和軌跡特性分析 7.2.1 高速重返任務特點 7.2.2 高速重返軌跡特點與分段 7.2.3 高速重返軌跡各段的動力學特點 7.2.4 高速重返的彈道特性與重返走廊分析 7.2.5 參數偏差對高速重返過程量和登陸精度的影響 7.3 標準軌道重返導引方法 7.3.1 標準軌道導引方法概述 7.3.2 標稱軌道導引方法跳躍式重返問題分析 7.3.3 基於Gauss偽譜法的參考軌跡優化設計 7.3.4 基於數值預測校正方法的參考軌跡線上設計 7.3.5 基於非線性預測控制方法的軌跡追蹤演算法設計 7.4 預測校正重返導引方法 7.4.1 預測校正導引方法概述 7.4.2 預測校正導引方法過載抑制問題分析 7.4.3 克卜勒段過載抑制演算法 7.4.4 融合導引演算法 7.4.5 應用實例 7.5 小結參考文獻第8章導引控制技術的地面驗證 8.1 登陸避障試驗 8.1.1 懸吊試驗——「LLRF」 8.1.2 自由飛試驗 ——「睡神」 8.2 重返返回試驗 8.2.1「嫦娥-5飛行試驗器」簡介 8.2.2 器艙組合介紹 8.2.3 試驗飛行過程 8.3 小結參考文獻第9章深空探測太空船導引控制技術發展展望參考文獻