目錄

第1章緒論1

1.1航天器在軌服務(wù)概述1

1.1.1在軌服務(wù)概念1

1.1.2在軌服務(wù)任務(wù)分析2

1.1.3在軌服務(wù)研究意義4

1.2航天器在軌服務(wù)計(jì)劃發(fā)展概況4

1.2.1國(guó)際在軌服務(wù)市場(chǎng)現(xiàn)狀4

1.2.2美國(guó)在軌服務(wù)計(jì)劃發(fā)展概況6

1.2.3歐洲在軌服務(wù)計(jì)劃發(fā)展概況13

1.2.4其他在軌服務(wù)計(jì)劃發(fā)展概況15

1.3航天器在軌服務(wù)技術(shù)研究現(xiàn)狀17

1.3.1航天器在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃17

1.3.2空間失穩(wěn)目標(biāo)逼近與消旋18

1.3.3空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模21

1.3.4空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃22

1.3.5空間機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)24

1.4本書內(nèi)容與系統(tǒng)設(shè)定25

1.4.1本書主要內(nèi)容25

1.4.2系統(tǒng)基本設(shè)定28

1.4.3符號(hào)與坐標(biāo)系定義29
第2章航天器軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)與建模32

2.1矢量與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換32

2.1.1矢量與矩陣運(yùn)算32

2.1.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣33

2.1.3張量矩陣坐標(biāo)轉(zhuǎn)換35

2.1.4坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)效應(yīng)36

2.2航天器軌道動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)38

2.2.1航天器二體問題38

2.2.2航天器軌道根數(shù)39

2.2.3航天器軌道常用公式42

2.2.4航天器軌道攝動(dòng)43

2.3航天器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)45

2.3.1航天器姿態(tài)描述45

2.3.2航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程48

2.3.3航天器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程49

2.3.4空間環(huán)境干擾力矩50

2.4航天器相對(duì)軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)建模52

2.4.1相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)方程52

2.4.2相對(duì)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程54

2.4.3相對(duì)軌道姿態(tài)耦合動(dòng)力學(xué)方程55

2.5本章小結(jié)56
第3章空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)與建模57

3.1空間機(jī)械臂與服務(wù)衛(wèi)星平臺(tái)剛體動(dòng)力學(xué)建模57

3.1.1模型假設(shè)與符號(hào)57

3.1.2平臺(tái)受控剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)方程59

3.1.3自由漂浮剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)方程60

3.1.4平臺(tái)受控剛體動(dòng)力學(xué)方程61

3.1.5自由漂浮剛體動(dòng)力學(xué)方程63

3.1.6模型仿真驗(yàn)證63

3.2空間機(jī)械臂連接的柔性組合體動(dòng)力學(xué)建模66

3.2.1模型假設(shè)與符號(hào)66

3.2.2柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)方程68

3.2.3柔性體上任意點(diǎn)速度69

3.2.4柔性組合體動(dòng)能70

3.2.5動(dòng)量守恒方程73

3.2.6柔性組合體動(dòng)力學(xué)方程74

3.2.7模型仿真驗(yàn)證75

3.3本章小結(jié)80
第4章航天器在軌服務(wù)任務(wù)建模與序列規(guī)劃82

4.1地球同步軌道目標(biāo)特性分析82

4.1.1目標(biāo)分布特性82

4.1.2目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性84

4.1.3目標(biāo)幾何特性85

4.1.4目標(biāo)光學(xué)特性86

4.2地球同步軌道動(dòng)力學(xué)建模87

4.2.1地球同步軌道服務(wù)場(chǎng)景87

4.2.2霍曼蘭伯特交會(huì)模型88

4.3地球同步軌道在軌服務(wù)任務(wù)建模90

4.3.1在軌加注/維修任務(wù)90

4.3.2輔助位置保持任務(wù)90

4.3.3傾角漂移調(diào)整任務(wù)91

4.3.4廢棄衛(wèi)星離軌任務(wù)91

4.3.5失效衛(wèi)星救援任務(wù)92

4.4基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的服務(wù)序列規(guī)劃94

4.4.1強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法94

4.4.2狀態(tài)與動(dòng)作定義96

4.4.3獎(jiǎng)賞函數(shù)定義97

4.4.4服務(wù)序列規(guī)劃流程97

4.5工程算例仿真驗(yàn)證97

4.5.1仿真參數(shù)設(shè)定97

4.5.2霍曼蘭伯特交會(huì)仿真結(jié)果99

4.5.3服務(wù)序列規(guī)劃仿真結(jié)果100

4.6本章小結(jié)103
第5章空間失穩(wěn)目標(biāo)安全逼近任務(wù)規(guī)劃與控制104

5.1空間失穩(wěn)目標(biāo)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)分析104

5.1.1不同類型衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)104

5.1.2目標(biāo)衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)分析106

5.1.3服務(wù)衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)分析107

5.2空間失穩(wěn)目標(biāo)安全逼近任務(wù)規(guī)劃108

5.2.1動(dòng)態(tài)安全走廊定義108

5.2.2直線逼近路徑選擇109

5.2.3動(dòng)態(tài)安全走廊逼近策略109

5.2.4軌道轉(zhuǎn)移階段任務(wù)規(guī)劃111

5.2.5直線逼近階段任務(wù)規(guī)劃113

5.3逼近過程中的緊急撤離任務(wù)規(guī)劃113

5.3.1緊急撤離策略113

5.3.2安全逼近速度分析115

5.3.3緊急撤離時(shí)間分析116

5.4服務(wù)衛(wèi)星相對(duì)軌道姿態(tài)耦合控制117

5.4.1相對(duì)耦合誤差動(dòng)力學(xué)模型117

5.4.2相對(duì)軌道姿態(tài)耦合控制器設(shè)計(jì)118

5.5工程算例仿真驗(yàn)證119

5.5.1仿真參數(shù)設(shè)定119

5.5.2安全逼近與緊急撤離仿真結(jié)果120

5.5.3服務(wù)衛(wèi)星耦合控制仿真結(jié)果123

5.6本章小結(jié)125
第6章空間失穩(wěn)目標(biāo)脈沖接觸消旋建模與控制126

6.1空間失穩(wěn)目標(biāo)接觸消旋策略126

6.1.1消旋桿方案設(shè)計(jì)126

6.1.2接觸消旋策略流程127

6.2空間失穩(wěn)目標(biāo)接觸消旋動(dòng)力學(xué)建模129

6.2.1目標(biāo)衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型129

6.2.2消旋桿接觸檢測(cè)方法130

6.2.3消旋桿接觸力模型132

6.3空間失穩(wěn)目標(biāo)脈沖接觸消旋最優(yōu)控制133

6.3.1脈沖接觸消旋控制器設(shè)計(jì)133

6.3.2控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析134

6.3.3章動(dòng)收斂條件分析135

6.4空間機(jī)械臂與服務(wù)衛(wèi)星平臺(tái)協(xié)同控制136

6.4.1空間機(jī)械臂點(diǎn)到點(diǎn)規(guī)劃與控制136

6.4.2服務(wù)衛(wèi)星平臺(tái)前饋補(bǔ)償協(xié)同控制137

6.5工程算例仿真驗(yàn)證139

6.5.1仿真參數(shù)設(shè)定139

6.5.2脈沖接觸消旋仿真結(jié)果140

6.5.3協(xié)同控制仿真結(jié)果144

6.6本章小結(jié)147
第7章空間失穩(wěn)目標(biāo)在軌捕獲任務(wù)規(guī)劃與控制149

7.1空間機(jī)械臂視覺伺服與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)149

7.1.1空間機(jī)械臂視覺伺服系統(tǒng)149

7.1.2卡爾曼濾波運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)151

7.2空間機(jī)械臂自主捕獲失穩(wěn)目標(biāo)軌跡規(guī)劃152

7.2.1目標(biāo)捕獲軌跡規(guī)劃問題152

7.2.2速度增益矩陣動(dòng)態(tài)調(diào)整方法154

7.2.3目標(biāo)捕獲軌跡規(guī)劃方法157

7.3空間機(jī)械臂全局終端滑模軌跡跟蹤控制158

7.3.1全局終端滑模控制器設(shè)計(jì)158

7.3.2控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析160

7.3.3跟蹤誤差收斂時(shí)間分析161

7.4視覺測(cè)量誤差對(duì)目標(biāo)捕獲控制精度影響163

7.4.1視覺測(cè)量誤差模型163

7.4.2測(cè)量誤差到單步控制誤差傳遞模型164

7.4.3測(cè)量誤差到最終控制誤差傳遞模型165

7.5工程算例仿真驗(yàn)證166

7.5.1仿真參數(shù)設(shè)定166

7.5.2目標(biāo)捕獲軌跡規(guī)劃仿真結(jié)果167

7.5.3機(jī)械臂軌跡跟蹤控制仿真結(jié)果170

7.5.4測(cè)量誤差影響仿真結(jié)果172

7.6本章小結(jié)176
第8章目標(biāo)捕獲后組合體角動(dòng)量轉(zhuǎn)移與抑振控制178

8.1柔性組合體角動(dòng)量轉(zhuǎn)移與抑振規(guī)劃178

8.1.1角動(dòng)量轉(zhuǎn)移優(yōu)化方法178

8.1.2基于粒子群算法的抑振軌跡規(guī)劃180

8.2柔性組合體動(dòng)力學(xué)模型奇異攝動(dòng)分解184

8.2.1柔性組合體奇異攝動(dòng)模型184

8.2.2慢變子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程185

8.2.3快變子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程185

8.3柔性組合體軌跡跟蹤與振動(dòng)抑制復(fù)合控制187

8.3.1柔性組合體復(fù)合控制結(jié)構(gòu)187

8.3.2慢變子系統(tǒng)全局終端滑�？刂�187

8.3.3快變子系統(tǒng)LQR最優(yōu)控制188

8.4工程算例仿真驗(yàn)證188

8.4.1仿真參數(shù)設(shè)定188

8.4.2角動(dòng)量轉(zhuǎn)移與抑振規(guī)劃仿真結(jié)果189

8.4.3柔性組合體復(fù)合控制仿真結(jié)果193

8.5本章小結(jié)197
第9章航天器在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃與控制仿真軟件198

9.1航天器在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃與控制仿真軟件開發(fā)198

9.1.1仿真軟件框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)198

9.1.2仿真軟件功能模塊開發(fā)199

9.2空間失穩(wěn)目標(biāo)逼近/消旋/捕獲/穩(wěn)定全過程仿真203

9.2.1仿真算例設(shè)定與程序流程203

9.2.2安全逼近過程仿真結(jié)果203

9.2.3接觸消旋過程仿真結(jié)果205

9.2.4在軌捕獲過程仿真結(jié)果206

9.2.5組合體穩(wěn)定過程仿真結(jié)果207

9.3本章小結(jié)209
第10章在軌服務(wù)機(jī)械臂工程設(shè)計(jì)與驗(yàn)證210

10.1在軌服務(wù)機(jī)械臂工程設(shè)計(jì)210

10.1.1設(shè)計(jì)要求210

10.1.2設(shè)計(jì)流程212

10.1.3任務(wù)分析與指標(biāo)分解213

10.1.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)214

10.1.5執(zhí)行子系統(tǒng)設(shè)計(jì)216

10.1.6控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)220

10.1.7感知子系統(tǒng)設(shè)計(jì)224

10.2在軌服務(wù)機(jī)械臂設(shè)計(jì)實(shí)例228

10.2.1設(shè)計(jì)要求228

10.2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)229

10.2.3執(zhí)行子系統(tǒng)設(shè)計(jì)231

10.2.4控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)232

10.2.5感知子系統(tǒng)設(shè)計(jì)234

10.3在軌服務(wù)機(jī)械臂工程驗(yàn)證234

10.3.1驗(yàn)證項(xiàng)目矩陣234

10.3.2地面驗(yàn)證方案235

10.3.3在軌驗(yàn)證方案237

10.4本章小結(jié)239

參考文獻(xiàn)240