导语

  

内容提要

  

    航天器工程是一项高风险、高复杂度而又高精度的系统工程，在研制航天器控制系统的过程中，系统建模与仿真是一个不可缺少的重要环节并贯穿始终，它是验证和优化系统设计的重要手段。本书基于作者团队多年教学实践和科研成果，侧重介绍航天器控制系统建模与仿真的基本概念和基本理论，同时也给出了典型对象的动力学与控制系统理论模型和具体的仿真实现。前8章主要介绍航天器控制系统数学建模仿真方法，进而对半物理仿真和全物理仿真的相关技术进行讲解；后4章以月球着陆、火星接近、小天体绕飞等深空探测任务为例，结合前面提出的理论模型和设计思想，给出了航天器控制系统建模与仿真的应用案例。
    本书可作为飞行器设计、控制类专业的本科生和研究生的教学用书，也可作为相关专业科研工作者的参考用书。

第1章  概论
  1.1  仿真的基本概念与特点
  1.2  航天器控制系统及其构成
  1.3  航天器控制系统仿真的分类
    1.3.1  数学仿真
    1.3.2  半物理仿真
    1.3.3  全物理仿真
  1.4  航天器控制系统仿真的功能
  1.5  航天器研制流程及仿真的作用
  1.6  航天器系统仿真的新发展及关键技术
    1.6.1  航天器系统仿真的新发展
    1.6.2  航天器仿真涉及的关键技术
  参考文献
第2章  航天器轨道动力学建模与仿真
  2.1  航天器动力学建模的内容和原则
    2.1.1  建模的目的和模型内容
    2.1.2  对模型详略的要求
    2.1.3  航天器动力学建模过程
  2.2  航天器轨道动力学模型
    2.2.1  近地卫星轨道动力学模型
    2.2.2  深空探测器轨道动力学模型
    2.2.3  环境力数学模型
  2.3  MATLAB与微分方程求解
    2.3.1  MATLAB系统简介
    2.3.2  MATLAB求解微分方程
  2.4  二体轨道动力学仿真实例
    2.4.1  仿真相关参数
    2.4.2  仿真程序及仿真结果
  参考文献
第3章  航天器姿态动力学建模与仿真
  3.1  航天器姿态动力学模型
    3.1.1  刚体的姿态
    3.1.2  刚体姿态运动学方程
    3.1.3  刚体姿态动力学方程
    3.1.4  姿态干扰力矩
  3.2  Simulink与动态系统仿真
  3.3  刚体姿态动力学仿真实例
    3.3.1  仿真相关参数
    3.3.2  刚体姿态运动学仿真模型
    3.3.3  刚体姿态动力学仿真模型
    3.3.4  环境力矩仿真模型
    3.3.5  轨道动力学仿真模型
    3.3.6  姿态动力学仿真结果
  参考文献
第4章  测量敏感器的测量原理与模型
  4.1  太阳敏感器的测量原理与模型
    4.1.1  数字式太阳敏感器
    4.1.2  模拟式太阳敏感器
    4.1.3  “0-1”式太阳敏感器
    4.1.4  窄缝式太阳敏感器
  4.2  地球敏感器的测量原理与模型
    4.2.1  地平穿越式地球敏感器
    4.2.2  辐射平衡式地球敏感器
    4.2.3  地平跟踪式地球敏感器
  4.3  恒星敏感器的测量原理与模型
    4.3.1  机械跟踪式恒星敏感器
    4.3.2  穿越式恒星敏感器
    4.3.3  固定探头式恒星敏感器
  4.4  光学相机的测量原理与模型
  4.5  激光测距仪的测量原理与模型
    4.5.1  脉冲激光测距仪
    4.5.2  相位激光测距仪
  4.6  测量敏感器建模实例
    4.6.1  仿真坐标系定义
    4.6.2  仿真相关参数
    4.6.3  太阳敏感器仿真程序搭建
  参考文献
第5章  执行机构的工作原理与模型
  5.1  推力器系统的组成与工作原理
    5.1.1  推力器的分类与性能要求
    5.1.2  推进系统的组成与工作原理
    5.1.3  推力器的数学模型
  5.2  飞轮系统的组成与工作原理
    5.2.1  飞轮的分类
    5.2.2  反作用飞轮的组成与工作原理
  5.3  磁力矩器系统的组成与工作原理
  5.4  执行机构建模实例
  参考文献
第6章  航天器控制系统的数学仿真与计算机辅助设计
  6.1  航天器控制系统数学仿真
    6.1.1  数学仿真原理
    6.1.2  数学仿真方法
    6.1.3  采样控制系统仿真
    6.1.4  航天器控制系统数学模型的特点
  6.2  数值积分方法
    6.2.1  常用的数值积分方法
    6.2.2  稳定性分析
    6.2.3  积分步长的选择与控制
  6.3  控制系统计算机辅助设计
    6.3.1  特点与发展历程
    6.3.2  系统模型描述方法
    6.3.3  控制系统分析方法
  参考文献
第7章  航天器物理仿真系统的构成与原理
  7.1  半物理仿真系统的构成与原理
    7.1.1  半物理仿真的必要性
    7.1.2  半物理仿真系统的构成
    7.1.3  半物理仿真的类型
  7.2  全物理仿真系统的构成与原理
    7.2.1  全物理仿真的原理和方法
    7.2.2  全物理仿真系统的构成
    7.2.3  全物理仿真的类型和作用
  7.3  运动仿真器
    7.3.1  伺服转台
    7.3.2  气浮台
  7.4  目标仿真器
    7.4.1  太阳仿真器
    7.4.2  地球仿真器
    7.4.3  恒星仿真器
    7.4.4  图像仿真器
  参考文献
第8章  仿真计算机与典型实时仿真系统应用
  8.1  仿真计算机概述
    8.1.1  仿真计算机的分类
    8.1.2  仿真计算机的体系结构
    8.1.3  仿真计算机的发展趋势
  8.2  dSPACE实时仿真系统的功能与组成
    8.2.1  dSPACE实时仿真系统的功能
    8.2.2  dSPACE 实时仿真系统的组成
    8.2.3  基于dSPACE的系统开发步骤
    8.2.4  dSPACE应用实例
  8.3  HiGale实时仿真系统的功能与组成
    8.3.1  HiGale产品简介
    8.3.2  HiGale 硬件概述
    8.3.3  HiGale 软件概述
    8.3.4  HiGale应用实例
  参考文献
第9章  航天器姿态确定与控制仿真分析
  9.1  星敏感器和速率陀螺联合定姿方法
    9.1.1  姿态四元数描述
    9.1.2  姿态敏感器测量模型
    9.1.3  姿态确定滤波器设计
  9.2  反作用飞轮姿态稳定控制方法
    9.2.1  偏差四元数和瞬时欧拉角
    9.2.2  基于瞬时欧拉轴的机动控制器设计
  9.3  系统建模与仿真分析
    9.3.1  Simulink仿真模型
    9.3.2  仿真结果与分析
  参考文献
第10章  月球软着陆制导控制仿真分析
  10.1  月球软着陆过程分析
  10.2  月球软着陆动力学模型
  10.3  月球软着陆制导控制方法
    10.3.1  径向最优轨迹
    10.3.2  燃耗次优控制方向角确定
  10.4  系统建模与仿真分析
  参考文献
第11章  火星接近段轨道确定与控制仿真分析
  11.1  火星接近段运动分析
  11.2  自主光学导航观测模型
  11.3  轨道确定滤波估计方法
    11.3.1  状态方程和观测方程
    11.3.2  扩展卡尔曼滤波器设计
  11.4  自主接近预测制导方法
  11.5  系统建模与仿真分析
  参考文献
第12章  小天体绕飞光学导航半物理仿真实验分析
  12.1  小天体绕飞光学导航方案
    12.1.1  动力学方程与观测模型
    12.1.2  导航滤波器设计
  12.2  半物理仿真实验系统结构与方案设计
    12.2.1  半物理仿真实验系统结构
    12.2.2  半物理仿真实验方案设计
  12.3  半物理仿真实验结果与分析
  参考文献