空间非合作目标安全接近控制技术

目录 序 前言 第1章 绪论 1 1.1 空间非合作目标的概念与特征/1 1.2 安全接近问题的内涵与特点/2 1.2.1 安全接近问题的内涵与描述/2 1.2.2 空间非合作目标安全接近的特点/5 1.3 国内外安全接近任务研究概况/7 1.3.1 交会对接类任务/7 1.3.2 空间碎片抓捕类任务/9 1.3.3 在轨维护类任务/11 1.3.4 总结评述/13 1.4 国内外相关理论研究进展/14 1.4.1 航天器相对运动建模方法研究进展/14 1.4.2 航天器控制理论与方法研究进展/16 1.4.3 航天器复杂外形重构研究进展/17 1.4.4 航天器安全接近控制方法研究进展/18 1.4.5 航天器近距离安全区与可达理论发展现状/20 1.4.6 航天器不确定性分析研究进展/21 1.4.7 非合作目标地面实验研究进展/22 1.5 本书主要内容/23 参考文献/24 第2章 航天器近距离相对运动建模方法 33 2.1 轨道相对运动模型/34 2.1.1 坐标系定义和转换/34 2.1.2 LVLH坐标系下的相对运动模型/37 2.1.3 目标体坐标系下的相对运动模型/39 2.2 姿态相对运动模型/40 2.2.1 单刚体转动动力学/40 2.2.2 欧拉角表示的相对姿态动力学/41 2.2.3 姿态动力学模型线性化误差分析/41 2.3 姿轨耦合相对运动模型/43 2.3.1 对偶四元数及一般运动描述/44 2.3.2 基于对偶四元数的相对运动模型/46 2.3.3 与传统相对运动方程比较/47 2.3.4 姿轨耦合特性分析/49 2.4 本章小结/50 参考文献/50 第3章 非合作目标近距离姿轨跟踪控制 52 3.1 空间非合作目标翻滚运动描述/53 3.1.1 空间非合作目标翻滚运动建模/53 3.1.2 空间非合作目标翻滚运动仿真/55 3.2 基于状态相关黎卡提方程的姿轨联合控制/57 3.2.1 问题描述/58 3.2.2 期望输入法和折减指标法设计/60 3.2.3 基于状态相关黎卡提方程的跟踪控制仿真/65 3.3 基于模型预测控制算法的姿轨联合控制/69 3.3.1 模型预测控制理论/69 3.3.2 显式模型预测控制器设计/71 3.3.3 基于显式模型预测控制的全局离线姿轨跟踪/73 3.4 基于非奇异终端滑模控制算法的姿轨耦合控制/75 3.4.1 非线性控制理论介绍/75 3.4.2 非奇异终端滑模控制器设计/77 3.4.3 基于非奇异终端滑模的姿轨耦合控制仿真/86 3.5 本章小结/92 参考文献/93 第4章 空间非合作目标外形表征方法 95 4.1 *小体积包络法/96 4.1.1 球形/多面体包络法/96 4.1.2 超二次曲面包络/97 4.1.3 其他表征方法/98 4.2 空间距离估计方法/98 4.2.1 空间位置关系/98 4.2.2 距离估计模型/99 4.2.3 椭球形距离估计方法与仿真分析/105 4.3 GMM采样重构法/113 4.3.1 GMM采样重构法发展现状/113 4.3.2 GMM采样重构法求解方法/114 4.3.3 GMM重构外形仿真/116 4.4 本章小结/117 参考文献/118 第5章 非合作目标安全接近的势函数控制方法 121 5.1 势函数方法的基本原理/122 5.1.1 势场描述/122 5.1.2 典型势函数/122 5.2 基于Sigmoid势函数的避障控制/126 5.2.1 Sigmoid势函数数学模型/126 5.2.2 椭球形障碍物避障控制律设计/129 5.2.3 长方体障碍物避障控制律设计/134 5.3 基于复合势函数的六自由度安全接近控制方法/143 5.3.1 考虑目标旋转时的势函数建立/144 5.3.2 六自由度复合控制器设计/147 5.3.3 仿真分析/152 5.4 本章小结/165 参考文献/165 第6章 复杂外形非合作目标安全接近控制方法 167 6.1 目标复杂外形的约束建模/168 6.1.1 目标姿态静止的复杂外形约束建模/168 6.1.2 目标姿态翻滚的复杂外形约束建模/171 6.2 静止复杂外形目标的有限时间控制方法/176 6.2.1 非奇异积分双环滑模控制器设计/177 6.2.2 稳定性分析/179 6.2.3 仿真分析/179 6.3 旋转复杂外形目标的固定时间控制方法/183 6.3.1 固定时间控制器设计/183 6.3.2 稳定性分析/185 6.3.3 仿真分析/186 6.4 本章小结/191 参考文献/191 第7章 复杂外形双航天器安全接近控制方法 193 7.1 双复杂外形约束与相对姿态约束融合的避撞约束构建方法/195 7.1.1 临界安全曲线理论/195 7.1.2 临界安全曲线仿真分析/203 7.2 双复杂外形约束下的轨迹规划方法/205 7.2.1 基于改进水流法的轨迹规划算法/206 7.2.2 多约束耦合作用下的速度规划方法/212 7.2.3 面向旋转目标的轨迹规划方法/217 7.3 基于模型预测控制与双复杂外形约束的姿轨联合控制/221 7.3.1 面向非旋目标的姿轨联合控制器设计/221 7.3.2 面向旋转目标的姿轨联合控制器设计/225 7.4 本章小结/230 参考文献/231 第8章 不确定条件下的航天器近距离悬停控制 233 8.1 不确定条件下的碰撞风险评估/234 8.1.1 常用碰撞风险评估方法/234 8.1.2 轨道偏差预报与仿真分析/235 8.1.3 碰撞概率计算方法/245 8.2 导航偏差影响下的悬停误差带建立/254 8.2.1 基于协方差分析描述函数法的导航偏差传播/254 8.2.2 安全接近区的定义与建立/258 8.3 基于降维固定时间的欠驱动悬停控制/260 8.3.1 欠驱动系统能控性分析/260 8.3.2 基于降维固定时间的欠驱动控制器设计/263 8.3.3 欠驱动悬停控制仿真分析/268 8.4 本章小结/270 参考文献/270 第9章 非合作目标相对运动可达域与安全区构建 272 9.1 基于奇诺多面体的航天器相对运动可达域构建/272 9.1.1 可达概念与*优控制的关系/272 9.1.2 基于奇诺多面体的相对可达域理论/275 9.1.3 失效航天器终端接近可达性分析/279 9.1.4 基于奇诺多面体可达域的碰撞预警分析/287 9.2 相对运动安全区及其在航天器碰撞预警中的应用/296 9.2.1 常用相对运动安全区构建方法/296 9.2.2 系统性能参数影响/302 9.2.3 动态安全域/303 9.2.4 碰撞风险评估“3C”模型/305 9.3 本章小结/306 参考文献/306 第10章 非合作目标安全接近控制实验技术 310 10.1 安全接近地面气浮模拟实验系统介绍/310 10.1.1 地面气浮实验平台硬件系统/310 10.1.2 地面气浮实验平台软件系统/314 10.1.3 地面气浮实验平台系统参数辨识/315 10.1.4 动力学模型简化/316 10.2 路经约束下*优跟踪控制算法地面实验/317 10.2.1 期望输入*优跟踪控制算法实验验证/317 10.2.2 路径约束*优控制算法实验验证/319 10.3 非合作目标位姿跟踪控制算法地面实验/321 10.3.1 非合作目标位姿跟踪任务场景描述/321 10.3.2 非合作目标位姿跟踪控制器设计/321 10.3.3 实验结果分析/322 10.4 复杂外形目标安全接近控制算法地面实验/327 10.4.1 复杂外形目标安全接近实验场景描述/327 10.4.2 模拟目标航天器复杂外形重构/327 10.4.3 复杂外形目标安全接近控制器设计/328 10.4.4 复杂外形目标安全接近实验结果分析/329 10.5 双星在轨接近飞行实验简介/333 10.5.1 飞行实验任务概述/334 10.5.2 飞行实验仿真数据/335 10.6 本章小结/337 参考文献/338 第11章 非合作目标安全接近技术总结与展望 339 11.1 非合作目标安全接近关键技术总结/339 11.2 非合作目标安全接近技术发展展望/342