针对航天器在轨服务体系建设与技术发展需求,本书系统总结了以地球同步轨道卫星为代表的高轨高价值航天器在轨服务任务规划与控制技术相关研究成果,介绍了航天器轨道姿态和空间机械臂动力学基础与建模,并以此为基础重点阐述了航天器在轨服务任务建模与序列规划、空间失稳目标安全逼近任务规划与控制、空间失稳目标脉冲接触消旋建模与控制、空间失稳目标在轨捕获任务规划与控制、目标捕获后组合体角动量转移与抑振控制等关键技术的理论方法和算例验证,最后介绍了航天器在轨服务任务规划与控制仿真软件、在轨服务机械臂工程设计与验证。
本书作为系统论述航天器在轨服务任务规划与控制技术的学术专著,其理论与工程结合紧密,具有较强的前沿性和实用性,可供从事航天器总体设计、航天器动力学与控制、航天器在轨服务技术研究的科研人员和工程设计人员参考,也可作为高等院校飞行器设计相关专业研究生和本科生的参考教材。
序
随着世界各国开发利用空间的广度和深度不断增加，人造地球卫星、载人航天器和深空探测器等各类航天器的能力水平和应用程度不断提升，极大地促进了国民经济发展、科学技术进步和现代社会建设，并在各个领域取得了显著的经济社会效益。以地球同步轨道卫星为代表的高价值大型复杂航天器，研制成本高、在轨寿命长，即使增加了大量冗余备份和多种可靠性设计，依然有部分航天器在寿命周期内因系统设备发生故障而导致整体功能降低或失效。对于航天器的许多故障，如果能够以较小的资源代价对其进行维修并恢复正常功能，将产生巨大的经济社会价值。因此，面向高价值航天器故障修复和功能维护的在轨服务技术成为目前航天技术领域的一个新兴研究热点。
航天器在轨服务是一项技术复杂度高、专业综合性强、多学科交叉集成的航天系统工程。航天器在轨服务任务规划与控制主要研究如何统筹考虑任务需求和资源条件，通过全局运筹和科学计算，合理规划服务卫星的轨道机动策略和目标任务序列，并根据规划结果设计服务卫星的控制策略，完成服务卫星对空间目标的逼近、消旋、捕获和稳定等在轨服务任务，其中涉及多个学科的理论与工程问题，具有相当的技术难度。这些问题的解决，对于推动我国空间技术发展和促进空间技术向地面技术转化都具有重要意义。
本书作者长年从事航天器在轨服务相关技术研究工作，具有坚实宽广的专业理论基础和系统丰富的工程设计经验，在航天器和空间机械臂总体设计、动力学与控制等方面取得了丰硕的理论研究成果，并在空间站在轨组装与维护等重大工程中得到应用。
本书系统总结了作者多年来关于航天器在轨服务任务规划与控制技术的相关研究成果，主要围绕在轨服务任务过程中涉及的动力学建模、任务规划、控制系统设计和试验验证等多项关键技术展开讨论，结构清楚、内容翔实，理论与工程结合紧密，在多个方面提出了独创性的见解和方法，具有较高的学术水平和出版价值，将有力促进我国航天器在轨服务的技术发展与工程应用。
中国工程院院士
王兴龙，博士，高级工程师，长期从事航天器总体设计、航天器动力学与控制、航天器在轨服务等领域的型号和预研工作。
目录
第1章绪论1
1.1航天器在轨服务概述1
1.1.1在轨服务概念1
1.1.2在轨服务任务分析2
1.1.3在轨服务研究意义4
1.2航天器在轨服务计划发展概况4
1.2.1国际在轨服务市场现状4
1.2.2美国在轨服务计划发展概况6
1.2.3欧洲在轨服务计划发展概况13
1.2.4其他在轨服务计划发展概况15
1.3航天器在轨服务技术研究现状17
1.3.1航天器在轨服务任务规划17
1.3.2空间失稳目标逼近与消旋18
1.3.3空间机械臂动力学建模21
1.3.4空间机械臂运动轨迹规划22
1.3.5空间机械臂控制系统设计24
1.4本书内容与系统设定25
1.4.1本书主要内容25
1.4.2系统基本设定28
1.4.3符号与坐标系定义29
第2章航天器轨道姿态动力学基础与建模32
2.1矢量与坐标转换32
2.1.1矢量与矩阵运算32
2.1.2坐标转换矩阵33
2.1.3张量矩阵坐标转换35
2.1.4坐标系旋转效应36
2.2航天器轨道动力学基础38
2.2.1航天器二体问题38
2.2.2航天器轨道根数39
2.2.3航天器轨道常用公式42
2.2.4航天器轨道摄动43
2.3航天器姿态动力学基础45
2.3.1航天器姿态描述45
2.3.2航天器姿态运动学方程48
2.3.3航天器姿态动力学方程49
2.3.4空间环境干扰力矩50
2.4航天器相对轨道姿态动力学建模52
2.4.1相对轨道动力学方程52
2.4.2相对姿态动力学方程54
2.4.3相对轨道姿态耦合动力学方程55
2.5本章小结56
第3章空间机械臂动力学基础与建模57
3.1空间机械臂与服务卫星平台刚体动力学建模57
3.1.1模型假设与符号57
3.1.2平台受控刚体运动学方程59
3.1.3自由漂浮刚体运动学方程60
3.1.4平台受控刚体动力学方程61
3.1.5自由漂浮刚体动力学方程63
3.1.6模型仿真验证63
3.2空间机械臂连接的柔性组合体动力学建模66
3.2.1模型假设与符号66
3.2.2柔性关节动力学方程68
3.2.3柔性体上任意点速度69
3.2.4柔性组合体动能70
3.2.5动量守恒方程73
3.2.6柔性组合体动力学方程74
3.2.7模型仿真验证75
3.3本章小结80
第4章航天器在轨服务任务建模与序列规划82
4.1地球同步轨道目标特性分析82
4.1.1目标分布特性82
4.1.2目标运动特性84
4.1.3目标几何特性85
4.1.4目标光学特性86
4.2地球同步轨道动力学建模87
4.2.1地球同步轨道服务场景87
4.2.2霍曼兰伯特交会模型88
4.3地球同步轨道在轨服务任务建模90
4.3.1在轨加注/维修任务90
4.3.2辅助位置保持任务90
4.3.3倾角漂移调整任务91
4.3.4废弃卫星离轨任务91
4.3.5失效卫星救援任务92
4.4基于强化学习的服务序列规划94
4.4.1强化学习算法94
4.4.2状态与动作定义96
4.4.3奖赏函数定义97
4.4.4服务序列规划流程97
4.5工程算例仿真验证97
4.5.1仿真参数设定97
4.5.2霍曼兰伯特交会仿真结果99
4.5.3服务序列规划仿真结果100
4.6本章小结103
第5章空间失稳目标安全逼近任务规划与控制104
5.1空间失稳目标姿态运动分析104
5.1.1不同类型卫星姿态运动104
5.1.2目标卫星姿态运动分析106
5.1.3服务卫星姿态运动分析107
5.2空间失稳目标安全逼近任务规划108
5.2.1动态安全走廊定义108
5.2.2直线逼近路径选择109
5.2.3动态安全走廊逼近策略109
5.2.4轨道转移阶段任务规划111
5.2.5直线逼近阶段任务规划113
5.3逼近过程中的紧急撤离任务规划113
5.3.1紧急撤离策略113
5.3.2安全逼近速度分析115
5.3.3紧急撤离时间分析116
5.4服务卫星相对轨道姿态耦合控制117
5.4.1相对耦合误差动力学模型117
5.4.2相对轨道姿态耦合控制器设计118
5.5工程算例仿真验证119
5.5.1仿真参数设定119
5.5.2安全逼近与紧急撤离仿真结果120
5.5.3服务卫星耦合控制仿真结果123
5.6本章小结125
第6章空间失稳目标脉冲接触消旋建模与控制126
6.1空间失稳目标接触消旋策略126
6.1.1消旋杆方案设计126
6.1.2接触消旋策略流程127
6.2空间失稳目标接触消旋动力学建模129
6.2.1目标卫星动力学模型129
6.2.2消旋杆接触检测方法130
6.2.3消旋杆接触力模型132
6.3空间失稳目标脉冲接触消旋最优控制133
6.3.1脉冲接触消旋控制器设计133
6.3.2控制系统稳定性分析134
6.3.3章动收敛条件分析135
6.4空间机械臂与服务卫星平台协同控制136
6.4.1空间机械臂点到点规划与控制136
6.4.2服务卫星平台前馈补偿协同控制137
6.5工程算例仿真验证139
6.5.1仿真参数设定139
6.5.2脉冲接触消旋仿真结果140
6.5.3协同控制仿真结果144
6.6本章小结147
第7章空间失稳目标在轨捕获任务规划与控制149
7.1空间机械臂视觉伺服与目标运动预测149
7.1.1空间机械臂视觉伺服系统149
7.1.2卡尔曼滤波运动预测151
7.2空间机械臂自主捕获失稳目标轨迹规划152
7.2.1目标捕获轨迹规划问题152
7.2.2速度增益矩阵动态调整方法154
7.2.3目标捕获轨迹规划方法157
7.3空间机械臂全局终端滑模轨迹跟踪控制158
7.3.1全局终端滑模控制器设计158
7.3.2控制系统稳定性分析160
7.3.3跟踪误差收敛时间分析161
7.4视觉测量误差对目标捕获控制精度影响163
7.4.1视觉测量误差模型163
7.4.2测量误差到单步控制误差传递模型164
7.4.3测量误差到最终控制误差传递模型165
7.5工程算例仿真验证166
7.5.1仿真参数设定166
7.5.2目标捕获轨迹规划仿真结果167
7.5.3机械臂轨迹跟踪控制仿真结果170
7.5.4测量误差影响仿真结果172
7.6本章小结176
第8章目标捕获后组合体角动量转移与抑振控制178
8.1柔性组合体角动量转移与抑振规划178
8.1.1角动量转移优化方法178
8.1.2基于粒子群算法的抑振轨迹规划180
8.2柔性组合体动力学模型奇异摄动分解184
8.2.1柔性组合体奇异摄动模型184
8.2.2慢变子系统动力学方程185
8.2.3快变子系统动力学方程185
8.3柔性组合体轨迹跟踪与振动抑制复合控制187
8.3.1柔性组合体复合控制结构187
8.3.2慢变子系统全局终端滑模控制187
8.3.3快变子系统LQR最优控制188
8.4工程算例仿真验证188
8.4.1仿真参数设定188
8.4.2角动量转移与抑振规划仿真结果189
8.4.3柔性组合体复合控制仿真结果193
8.5本章小结197
第9章航天器在轨服务任务规划与控制仿真软件198
9.1航天器在轨服务任务规划与控制仿真软件开发198
9.1.1仿真软件框架结构设计198
9.1.2仿真软件功能模块开发199
9.2空间失稳目标逼近/消旋/捕获/稳定全过程仿真203
9.2.1仿真算例设定与程序流程203
9.2.2安全逼近过程仿真结果203
9.2.3接触消旋过程仿真结果205
9.2.4在轨捕获过程仿真结果206
9.2.5组合体稳定过程仿真结果207
9.3本章小结209
第10章在轨服务机械臂工程设计与验证210
10.1在轨服务机械臂工程设计210
10.1.1设计要求210
10.1.2设计流程212
10.1.3任务分析与指标分解213
10.1.4系统设计214
10.1.5执行子系统设计216
10.1.6控制子系统设计220
10.1.7感知子系统设计224
10.2在轨服务机械臂设计实例228
10.2.1设计要求228
10.2.2系统总体设计229
10.2.3执行子系统设计231
10.2.4控制子系统设计232
10.2.5感知子系统设计234
10.3在轨服务机械臂工程验证234
10.3.1验证项目矩阵234
10.3.2地面验证方案235
10.3.3在轨验证方案237
10.4本章小结239
参考文献240
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