内容简介

现代航天器不但规模庞大，构型复杂，工作寿命长且精度要求高，而且通过空间交会对接还可形成大型空间增长结构，有的甚至属于变结构和多级控制的复杂航天器系统，这就对航天器动力学和控制提出了更严峻的挑战。每一位渴望从事航天科学技术及其应用的工程师和科学家，都必须首先钻研航天动力学和控制相关知识。《航天器动力学与控制导论》由来自加拿大瑞尔森大学、多伦多大学以及麦吉尔大学的三位老师共同编写而成，主要介绍了航天器轨道动力学、姿态动力学以及控制的基本原理；详细介绍了一些典型的控制系统设计知识；也探讨了航天器动力学和控制的实际应用问题，包括姿态传感器和驱动器的运行、数字控制实施问题以及未建模动力学对航天器姿态控制系统的影响；文中还给出了大量的图表，使读者能更好地了解书中的内容。书中理论推导是严格的，但又是易懂和实用的。《航天器动力学与控制导论》在结构以及理论深度上更像是一本教科书，重点是帮助读者掌握航天器轨道与姿态动力学及其控制的基本原理和方法，适于大学本科高年级或研究生低年级的学生使用，也可作为科研工作者了解航天器动力学与控制基础知识的参考资料。鉴于此，特将此书翻译成中文，以方便国内读者使用。

前言

本书对航天器轨道与姿态动力学及控制进行了基本介绍。在这个领域已出版过一些非常优秀的书籍。我们的初衷并非是与这些书籍一较高下。然而，这些书中很多都假设读者具有相当深厚的研究背景，使初学者难以深入跟随其思路。我们希望本书可以弥补上述不足，并使读者通过学习本书，能够更容易地理解该领域中内容更深入的文献。本书介绍航天器动力学及控制学的初级内容，适用于大学高年级水平或初级研究生水平的读者。本书分为轨道力学与航天器姿态动力学及控制两部分，因此可以供两个学期的课程使用，每个学期研究其中一个课题，也可以供读者自学使用。本书的主要目的是教学，且本书的结构也反映了这一点。本书同样可供专业人士来重温一些基础理论。我们已经尽可能地将这本书编纂得自成体系。每章都设置了一个基本层次的课题（也就是承接前面章节的结论）。因此，读者不仅能了解关键性的数学结论，还能明白这些结论是如何得到的以及它们的局限性在哪里（针对应用领域）。如果读者愿意更深入地探索该课题，我们在每章的末尾都提供了一些参考文献。本书假定读者仅具有有限的背景，学过大学本科的数学和力学课程应该已经足够。尽管经典控制理论的背景会有帮助，但对掌握航天器姿态控制的解决对策而言并不是必需的。本书讲述的航天器姿态控制部分是完全独立的，并且可以作为完整经典控制领域的阶段（本科水平）课程。没有控制学知识背景的读者在真实被控系统（如航天器）的激励下将会学习经典控制理论（而不是一些抽象的函数转换）。而先前已有控制学知识背景的读者则可以通过参考该理论的应用获得新的理解。第1章和第2章讲述了描绘航天器动作所需的运动学和刚体动力学。第3~10章介绍了本书提及的轨道力学部分，包括开普勒二体问题、初步定轨、轨道机动及星际轨迹、轨道扰动、低推力轨道分析与设计、航天器编队飞行及受限制的三体问题等。第11章是对航天器姿态被动及主动稳定方式的高度综述，并对控制系统做了简要介绍。第12~16章讲述了航天器姿态动力学的几个方面（干扰力矩和无扭矩运动的解决方案），以及航天器姿态被动稳定解决方案的更多细节。第17~23章讲述了采用经典控制技术的主动航天器姿态控制方式。第24章和第25章介绍了部分更为深入的主题，即非线性航天器姿态控制及航天器导航。这两章同样对非线性控制理论即状态估计做出了简短介绍。第26章综述了航天器姿态控制设计中必须解决的实际问题，即不同的航天器姿态传感器和姿态驱动器类型、数字控制实施问题及未建模动力学对航天器姿态控制系统的影响。后，附录A和附录B列出了一些背景参考素材。在阅读完本书之后，读者应当对航天器轨道与姿态动力学及控制的基本思想形成了牢固的认知，并且应当对航天器姿态控制设计所需考虑的重要实际问题有所了解，从而为读者对该课题的深入研究奠定良好的基础。作者对位于加拿大渥太华的卡尔顿大学的机械与航空工程学院深表谢意，感谢学院提供研究并教授“轨道力学”和“航天器动力学与控制”课程的机会。这些课程的笔记是本书的基础。读者应该会注意到本书没有习题部分。如此规划是为了减少页数。不过，读者将会在本书的配套网站中找到一系列关于本书内容的习题，以及其他补充资料，链接如下：http://arrow.utias.utoronto.ca/damaren/book/。安东·H.J.德·鲁伊特克里斯多夫·J.达玛雷詹姆斯·R.福布斯

目录

第1章 运动学1．1 物理矢量1．1．1 标量积1．1．2 矢量积1．1．3 其他有用的矢量恒等式1．2 参考系和物理矢量坐标1．2．1 矢量加法与标量乘积1．2．2 标量积1．2．3 矢量积1．2．4 列矩阵特性1．3 旋转矩阵1．3．1 主轴旋转1．3．2 广义旋转1．3．3 欧拉角1．3．4 四元数法1．4 矢量微分1．4．1 角速度1．4．2 根据欧拉角速率求角速度1．4．3 根据四元数律确定角速度1．5 速度与加速度1．6 角速度的更多严谨定义1．7 注释参考文献第2章 刚体动力学2．1 单个质点的动力学2．2 质点系的动力学2．3 刚体动力学2．3．1 平动动力学2．3．2 转动动力学2．4 惯量矩阵2．4．1 平行移轴定理2．4．2 旋转变换定理2．4．3 主轴2．5 刚体的动能2．6 注释参考文献第3章 开普勒二体问题3．1 运动学方程3．2 运动常量3．2．1 轨道角动量3．2．2 轨道能量3．2．3 偏心率矢量3．3 开普勒轨道形状3．3．1 近心点坐标系3．4 开普勒定律3．5 飞行时间3．5．1 圆轨道3．5．2 椭圆轨道3．5．3 抛物线轨道3．5．4 双曲轨道3．6 轨道要素3． 6．1 日心-黄道坐标系3．6．2 地心-赤道坐标系3．6．3 总结3．7 位置和速度已知条件下的轨道要素3．8 位置和速度给出轨道要素3．9 注释参考文献……第4章 初步定轨第5章 轨道机动第6章 星际轨迹第7章 轨道扰动第8章 低推力轨道分析与设计第9章 航天器编队飞行第10章 受限制的三体问题第11章 航天器姿态稳定导论第12章 航天器上的干扰力矩第13章 扭矩-自由姿态运动第14章 自旋稳定第15章 双自旋稳定第16章 重力梯度稳定第17章 主动航天器姿态控制第18章 劳思稳定判据第19章 根轨迹第20章 应用根轨迹方法设计控制系统第21章 频率响应第22章 相对稳定性第23章 频域控制系统设计第24章 非线性航天器姿态控制第25章 航天器导航第26章 航天器姿态控制设计中的实际问题附录A 复变量运算的复习附录B 航天器运动的数值仿真参考文献