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第1章 概论1

1.1 引言1

1.2 分布式航天器系统与航天器协同飞行1

1.2.1 分布式航天器系统概念的提出1

1.2.2 航天器协同飞行的优势与挑战5

1.3 航天器协同飞行的典型计划8

1.3.1 TechSat-21计划9

1.3.2 F6项目与Pleiades计划11

1.3.3 SAMSON计划16

1.4 航天器协同飞行动力学与控制研究综述17

1.4.1 动力学建模17

1.4.2 轨迹设计与制导20

1.4.3 分布式协同控制24

1.4.4 发展趋势32

1.5 本书内容安排35

参考文献39

第2章 航天器相对运动模型53

2.1 引言53

2.2 相对轨道运动模型53

2.2.1 坐标系54

2.2.2 基于CRSV变量的参考轨道描述方法55

2.2.3 考虑J2项摄动的精确相对运动模型58

2.2.4 相对运动模型的简化60

2.2.5 其他常用典型线性相对运动模型65

2.3 相对姿态运动模型78

2.3.1 姿态运动学与动力学方程78

2.3.2 相对姿态动力学和运动学模型85

2.4 轨道和姿态耦合相对运动模型89

参考文献95

第3章 非线性相对运动模型的周期解及应用96

3.1 引言96

3.2 周期解求解方法96

3.2.1 解析法97

3.2.2 数值法99

3.3 圆参考轨道非线性相对运动模型的周期解101

3.3.1 相对运动模型的求解101

3.3.2 周期性条件与周期解105

3.3.3 周期性条件与周期解的验证106

3.4 椭圆参考轨道非线性相对运动模型的周期解及应用117

3.4.1 相对运动模型的求解117

3.4.2 周期性条件与周期解123

3.4.3 周期性条件与周期解的验证126

3.4.4 基于周期解的航天器编队保持141

3.5 考虑J2项摄动非线性相对运动模型的周期解及应用145

3.5.1 基于微分修正的周期性条件145

3.5.2 基于傅里叶分析与多庞加莱截面法求解周期解147

3.5.3 周期性条件与周期解的验证149

3.5.4 基于周期解的航天器编队保持157

附录A160

参考文献166

第4章 航天器相对运动最优重构与协同制导168

4.1 引言168

4.2 周期相对运动构型的参数化168

4.2.1 圆参考轨道几何构型的参数化169

4.2.2 椭圆参考轨道几何构型的参数化171

4.3 基于非线性相对运动模型的最优重构问题及其求解177

4.3.1 问题描述177

4.3.2 不考虑J2项摄动的最优重构求解179

4.3.3 考虑J 2项摄动的最优重构求解192

4.4 多航天器编队构型重构的分层优化协同制导200

4.4.1 问题描述200

4.4.2 基于高斯变分方程的底层路径规划200

4.4.3 基于0-1规划的顶层协同207

4.4.4 仿真算例与分析208

4.5 多航天器编队构型重构的整体优化协同制导211

4.5.1 编队系统的动力学模型212

4.5.2 编队重构整体优化213

4.5.3 仿真算例与分析217

4.6 本章小结224

附录B226

参考文献228

第5章 基于相对E／I矢量的航天器协同飞行轨道设计与制导230

5.1 引言230

5.2 基于相对E／I矢量的相对运动模型231

5.2.1 相对E／I矢量的定义231

5.2.2 相对E／I矢量描述的相对运动234

5.2.3 J2项摄动影响238

5.3 基于相对E／I矢量的编队飞行安全轨道设计与制导245

5.3.1 碰撞规避分析与安全性要求245

5.3.2 编队飞行轨道设计与制导247

5.3.3 仿真分析251

5.4 基于相对E／I矢量的航天器集群飞行轨道优化设计260

5.4.1 问题描述260

5.4.2 算例分析264

参考文献274

第6章 航天器协同飞行的一致性控制276

6.1 引言276

6.2 一致性问题相关理论与应用277

6.2.1 图论与代数图论基础277

6.2.2 线性一阶系统的一致性算法280

6.2.3 线性二阶系统的一致性算法288

6.2.4 一致性理论在多自主体协同控制中的应用295

6.3 典型协同控制方法的一致性控制描述304

6.3.1 主从式控制304

6.3.2 虚拟结构式控制308

6.3.3 行为式控制312

6.4 基于一致性理论的多航天器分布式协同控制313

6.4.1 问题描述与控制结构313

6.4.2 参考点一致性估计316

6.4.3 制导指令计算317

6.4.4 控制律设计318

6.4.5 仿真研究322

参考文献332

第7章 基于循环追踪的航天器协同飞行控制335

7.1 引言335

7.2 循环矩阵和旋转矩阵335

7.2.1 循环矩阵与块循环矩阵335

7.2.2 旋转矩阵337

7.3 循环追踪算法337

7.3.1 线性一阶系统的循环追踪算法338

7.3.2 线性二阶系统的循环追踪算法350

7.4 航天器协同飞行的循环追踪控制与仿真357

7.4.1 追踪轨迹与航天器协同飞行自然构型的匹配360

7.4.2 仿真研究364

参考文献374

第8章 航天器集群飞行的蜂拥控制375

8.1 引言375

8.2 蜂拥与航天器集群飞行375

8.2.1 蜂拥的基本概念375

8.2.2 航天器集群飞行的特点377

8.3 蜂拥模型与控制算法378

8.3.1 Boids模型379

8.3.2 蜂拥控制算法的数学基础380

8.3.3 Oflati - Saber蜂拥控制的基本算法382

8.3.4 仿真算例与分析388

8.4 航天器集群飞行的初始条件与蜂拥控制算法395

8.4.1 初始条件要求与配置395

8.4.2 蜂拥控制算法设计与仿真408

8.5 基于周期延迟误差同步的航天器集群蜂拥控制419

8.5.1 周期延迟误差状态方程419

8.5.2 最优协同控制律设计421

8.5.3 周期延迟误差同步与能量匹配的关系428

8.5.4 仿真研究431

8.6 本章小结444

参考文献446

第9章 基于多Lagrangian系统一致性算法的航天器协同飞行6自由度控制449

9.1 引言449

9.2 航天器6自由度相对运动的Lagrangian模型449

9.2.1 Lagrangian方程449

9.2.2 航天器相对姿态运动的Lagrangian方程451

9.2.3 航天器相对轨道运动的Lagrangian方程454

9.2.4 姿轨控制推力器配置与控制分配455

9.2.5 航天器协同飞行的6自由度控制方程458

9.3 多Lagrangian系统的分布式一致性算法459

9.3.1 线性一致性算法460

9.3.2 非线性一致性算法463

9.4 多航天器协同飞行6自由度控制律设计与仿真466

9.4.1 交会对接任务的非线性控制律设计与仿真467

9.4.2 编队飞行任务的非线性控制律设计与仿真474

9.4.3 编队飞行任务的循环追踪控制律设计与仿真478

9.5 本章小结486

参考文献488

第10章 基于动力学分解的多航天器协同飞行6自由度控制489

10.1 引言489

10.2 多航天器协同飞行动力学建模491

10.2.1 坐标系定义491

10.2.2 单航天器动力学模型492

10.2.3 多航天器协同飞行的动力学分解模型495

10.3 基于动力学分解模型的控制律设计与分析507

10.3.1 控制律设计507

10.3.2 实现方式与性能分析508

10.4 仿真研究517

10.4.1 计算流程517

10.4.2 任务设计和参数设置518

10.4.3 控制方法的有效性验证与分析519

10.4.4 控制性能的仿真验证529

附录C534

参考文献536

第11章 航天器协同飞行的自主运行体系537

11.1 引言537

11.2 Agent与多Agent系统538

11.2.1 Agent的定义539

11.2.2 MAS的概念539

11.2.3 MAS的体系结构541

11.3 基于MAS的航天器系统自主运行体系543

11.3.1 航天器的智能程度543

11.3.2 单航天器自主运行体系544

11.3.3 多航天器协同飞行自主运行体系549

11.4 多航天器系统的动态联邦式MAS结构建模555

11.4.1 多航天器系统的动态联邦式MAS结构555

11.4.2 多航天器系统的通信结构557

11.4.3 多航天器系统的功能Sub - Agent559

11.4.4 功能Sub-Agent间的信息流模型561

参考文献564

第12章 航天器协同飞行的自主任务分配565

12.1 引言565

12.2 基于合同网协议的自主任务分配方法565

12.2.1 基于传统合同网协议的任务分配566

12.2.2 改进的合同网协议570