目錄

第1章緒論1

1.1航天器在軌服務概述1

1.1.1在軌服務概念1

1.1.2在軌服務任務分析2

1.1.3在軌服務研究意義4

1.2航天器在軌服務計劃發(fā)展概況4

1.2.1國際在軌服務市場現(xiàn)狀4

1.2.2美國在軌服務計劃發(fā)展概況6

1.2.3歐洲在軌服務計劃發(fā)展概況13

1.2.4其他在軌服務計劃發(fā)展概況15

1.3航天器在軌服務技術(shù)研究現(xiàn)狀17

1.3.1航天器在軌服務任務規(guī)劃17

1.3.2空間失穩(wěn)目標逼近與消旋18

1.3.3空間機械臂動力學建模21

1.3.4空間機械臂運動軌跡規(guī)劃22

1.3.5空間機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計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符號與坐標系定義29
第2章航天器軌道姿態(tài)動力學基礎(chǔ)與建模32

2.1矢量與坐標轉(zhuǎn)換32

2.1.1矢量與矩陣運算32

2.1.2坐標轉(zhuǎn)換矩陣33

2.1.3張量矩陣坐標轉(zhuǎn)換35

2.1.4坐標系旋轉(zhuǎn)效應36

2.2航天器軌道動力學基礎(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43

2.3航天器姿態(tài)動力學基礎(chǔ)45

2.3.1航天器姿態(tài)描述45

2.3.2航天器姿態(tài)運動學方程48

2.3.3航天器姿態(tài)動力學方程49

2.3.4空間環(huán)境干擾力矩50

2.4航天器相對軌道姿態(tài)動力學建模52

2.4.1相對軌道動力學方程52

2.4.2相對姿態(tài)動力學方程54

2.4.3相對軌道姿態(tài)耦合動力學方程55

2.5本章小結(jié)56
第3章空間機械臂動力學基礎(chǔ)與建模57

3.1空間機械臂與服務衛(wèi)星平臺剛體動力學建模57

3.1.1模型假設(shè)與符號57

3.1.2平臺受控剛體運動學方程59

3.1.3自由漂浮剛體運動學方程60

3.1.4平臺受控剛體動力學方程61

3.1.5自由漂浮剛體動力學方程63

3.1.6模型仿真驗證63

3.2空間機械臂連接的柔性組合體動力學建模66

3.2.1模型假設(shè)與符號66

3.2.2柔性關(guān)節(jié)動力學方程68

3.2.3柔性體上任意點速度69

3.2.4柔性組合體動能70

3.2.5動量守恒方程73

3.2.6柔性組合體動力學方程74

3.2.7模型仿真驗證75

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

4.1地球同步軌道目標特性分析82

4.1.1目標分布特性82

4.1.2目標運動特性84

4.1.3目標幾何特性85

4.1.4目標光學特性86

4.2地球同步軌道動力學建模87

4.2.1地球同步軌道服務場景87

4.2.2霍曼蘭伯特交會模型88

4.3地球同步軌道在軌服務任務建模90

4.3.1在軌加注/維修任務90

4.3.2輔助位置保持任務90

4.3.3傾角漂移調(diào)整任務91

4.3.4廢棄衛(wèi)星離軌任務91

4.3.5失效衛(wèi)星救援任務92

4.4基于強化學習的服務序列規(guī)劃94

4.4.1強化學習算法94

4.4.2狀態(tài)與動作定義96

4.4.3獎賞函數(shù)定義97

4.4.4服務序列規(guī)劃流程97

4.5工程算例仿真驗證97

4.5.1仿真參數(shù)設(shè)定97

4.5.2霍曼蘭伯特交會仿真結(jié)果99

4.5.3服務序列規(guī)劃仿真結(jié)果100

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

5.1空間失穩(wěn)目標姿態(tài)運動分析104

5.1.1不同類型衛(wèi)星姿態(tài)運動104

5.1.2目標衛(wèi)星姿態(tài)運動分析106

5.1.3服務衛(wèi)星姿態(tài)運動分析107

5.2空間失穩(wěn)目標安全逼近任務規(guī)劃108

5.2.1動態(tài)安全走廊定義108

5.2.2直線逼近路徑選擇109

5.2.3動態(tài)安全走廊逼近策略109

5.2.4軌道轉(zhuǎn)移階段任務規(guī)劃111

5.2.5直線逼近階段任務規(guī)劃113

5.3逼近過程中的緊急撤離任務規(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緊急撤離時間分析116

5.4服務衛(wèi)星相對軌道姿態(tài)耦合控制117

5.4.1相對耦合誤差動力學模型117

5.4.2相對軌道姿態(tài)耦合控制器設(shè)計118

5.5工程算例仿真驗證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)目標脈沖接觸消旋建模與控制126

6.1空間失穩(wěn)目標接觸消旋策略126

6.1.1消旋桿方案設(shè)計126

6.1.2接觸消旋策略流程127

6.2空間失穩(wěn)目標接觸消旋動力學建模129

6.2.1目標衛(wèi)星動力學模型129

6.2.2消旋桿接觸檢測方法130

6.2.3消旋桿接觸力模型132

6.3空間失穩(wěn)目標脈沖接觸消旋最優(yōu)控制133

6.3.1脈沖接觸消旋控制器設(shè)計133

6.3.2控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析134

6.3.3章動收斂條件分析135

6.4空間機械臂與服務衛(wèi)星平臺協(xié)同控制136

6.4.1空間機械臂點到點規(guī)劃與控制136

6.4.2服務衛(wèi)星平臺前饋補償協(xié)同控制137

6.5工程算例仿真驗證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)目標在軌捕獲任務規(guī)劃與控制149

7.1空間機械臂視覺伺服與目標運動預測149

7.1.1空間機械臂視覺伺服系統(tǒng)149

7.1.2卡爾曼濾波運動預測151

7.2空間機械臂自主捕獲失穩(wěn)目標軌跡規(guī)劃152

7.2.1目標捕獲軌跡規(guī)劃問題152

7.2.2速度增益矩陣動態(tài)調(diào)整方法154

7.2.3目標捕獲軌跡規(guī)劃方法157

7.3空間機械臂全局終端滑模軌跡跟蹤控制158

7.3.1全局終端滑�？刂破髟O(shè)計158

7.3.2控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析160

7.3.3跟蹤誤差收斂時間分析161

7.4視覺測量誤差對目標捕獲控制精度影響163

7.4.1視覺測量誤差模型163

7.4.2測量誤差到單步控制誤差傳遞模型164

7.4.3測量誤差到最終控制誤差傳遞模型165

7.5工程算例仿真驗證166

7.5.1仿真參數(shù)設(shè)定166

7.5.2目標捕獲軌跡規(guī)劃仿真結(jié)果167

7.5.3機械臂軌跡跟蹤控制仿真結(jié)果170

7.5.4測量誤差影響仿真結(jié)果172

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

8.1柔性組合體角動量轉(zhuǎn)移與抑振規(guī)劃178

8.1.1角動量轉(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柔性組合體動力學模型奇異攝動分解184

8.2.1柔性組合體奇異攝動模型184

8.2.2慢變子系統(tǒng)動力學方程185

8.2.3快變子系統(tǒng)動力學方程185

8.3柔性組合體軌跡跟蹤與振動抑制復合控制187

8.3.1柔性組合體復合控制結(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工程算例仿真驗證188

8.4.1仿真參數(shù)設(shè)定188

8.4.2角動量轉(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章航天器在軌服務任務規(guī)劃與控制仿真軟件198

9.1航天器在軌服務任務規(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章在軌服務機械臂工程設(shè)計與驗證210

10.1在軌服務機械臂工程設(shè)計210

10.1.1設(shè)計要求210

10.1.2設(shè)計流程212

10.1.3任務分析與指標分解213

10.1.4系統(tǒng)設(shè)計214

10.1.5執(zhí)行子系統(tǒng)設(shè)計216

10.1.6控制子系統(tǒng)設(shè)計220

10.1.7感知子系統(tǒng)設(shè)計224

10.2在軌服務機械臂設(shè)計實例228

10.2.1設(shè)計要求228

10.2.2系統(tǒng)總體設(shè)計229

10.2.3執(zhí)行子系統(tǒng)設(shè)計231

10.2.4控制子系統(tǒng)設(shè)計232

10.2.5感知子系統(tǒng)設(shè)計234

10.3在軌服務機械臂工程驗證234

10.3.1驗證項目矩陣234

10.3.2地面驗證方案235

10.3.3在軌驗證方案237

10.4本章小結(jié)239

參考文獻240