不规则小行星附近探测器制导与控制

本书获得国家科学技术出版基金支持。小行星探测重要的科学意义和工程价值，已成为深空探测主要方向之一。开展小行星引力场中制导与控制问题研究有助于我们设计不同类型的小行星探测器任务。此外，小行星探测任务由于小行星引力场不规则、物理参数不确定性大、表面逃逸速度小等因素也使得小行星引力场中制导与控制问题极具挑战性。本书基于小行星附近引力环境和动力学机制，针对悬停、绕飞、转移和着陆四种不同任务形式，介绍探测器制导与控制方法，实现轨道控制可行性、很优性、稳定性及安全性等目标。

本书是作者近年在不规则小行星附近探测器制导与控制领域研究成果的系统总结，内容涵盖了小行星表面附近的悬停、转移、绕飞和小行星表面着陆等探测器运动的四种重要情形。全书由6章内容组成：第1章是绪论，介绍外学者在小行星探测器制导与控制领域的研究现状；第2章介绍探测器在小行星附近飞行的动力学模型及对小行星引力场建模的方法；第3章介绍探测器在小行星附近悬停控制的方法；第4章介绍探测器在小行星附近转移/绕飞的制导与控制方法；第5章介绍探测器着陆小行星过程中的优制导；第6章介绍探测器着陆小行星过程中的在线制导与闭环控制。本书可供深空探测、航天动力学与控制等领域研究者参考，也可供对小行星探测制导与控制及轨道优化设计感兴趣的人员阅读。

杨洪伟：目前就职于南京航空航天大学航天学院。2012年本科毕业于山东大学工程力学系，2017年博士毕业于清华大学航天航空学院。曾获评清华大学优秀毕业生和优秀博士论文。已发表论文20余篇，其中第一作者SCI期刊论文9篇。宝音贺西：清华大学航天航空学院教授、博导。国家杰出青年科学基金获得者。已发表论文100余篇，出版专著一部。入选elsevier中国高被引学者榜单。担任Astrodynamics杂志主编，深空探测学报等杂志编委。

第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 小行星附近动力学研究现状
1.2.1 小行星引力场模型
1.2.2 小行星平衡点
1.2.3 小行星周期轨道
1.3 小行星附近悬停控制研究现状
1.3.1 悬停闭环控制
1.3.2 连续小推力悬停
1.3.3 太阳帆悬停
1.4 小行星附近转移和绕飞轨道制导与控制研究现状
1.4.1 脉冲机动转移轨道设计
1.4.2 连续推力转移闭环制导
1.4.3 绕飞轨道控制
1.5 小行星表面着陆很优制导研究现状
1.5.1 间接法
1.5.2 伪谱法
1.5.3 凸优化方法
1.6 小行星表面着陆在线制导与控制研究现状
1.6.1 多项式制导与控制
1.6.2 基于解析控制的闭环制导方法
1.6.3 基于轨迹优化的计算制导方法
1.7 本书各章节内容安排
参考文献
第2章 动力学方程与引力场模型
2.1 引言
2.2 坐标系
2.3 动力学方程
2.3.1 无控动力学方程
2.3.2 受控动力学方程
2.3.3 平衡点及其附近线性化方程
2.4 不规则小行星引力场模型
2.4.1 球谐函数模型
2.4.2 多面体模型
2.5 细长形小行星简化模型
2.5.1 模型定义与有效势能
2.5.2 旋转质量偶极子模型参数确定
2.5.3 旋转质量三极子模型参数确定
2.6 本章小结
参考文献
第3章 小行星引力场中的悬停控制
3.1 引言
3.2 悬停动力学方程和约束条件
3.3 人工平衡点动力学分析
3.3.1 人工平衡点拓扑分类与分岔
3.3.2 人工平衡点集分析
3.3.3 人工平衡点稳定性分析
3.3.4 观测覆盖区域分析
3.4 悬停反馈线性化控制
3.4.1 细长形小行星共线型平衡点悬停线性控制
3.4.2 一般悬停点处反馈线性化控制
3.4.3 仿真算例
3.5 悬停滑模控制
3.5.1 滑模面定义及其稳定性
3.5.2 控制律和控制稳定性
3.5.3 抖振与奇异性消除方法
3.5.4 仿真算例
3.6 本章小结
参考文献
第4章 小行星引力场中转移制导与绕飞控制
4.1 引言
4.2 双脉冲转移轨道设计
4.2.1 不规则引力场兰伯特问题
4.2.2 基于粗略搜索和数值延拓的转移轨道求解方法
4.2.3 基于经典兰伯特解的转移轨道求解方法
4.2.4 仿真算例
4.3 连续推力作用下轨道转移制导方法
4.3.1 ZEM/ZEV轨道转移制导
4.3.2 仿真算例
4.4 赤道面附近逆行周期轨道设计
4.4.1 周期轨道设计方法
4.4.2 周期轨道稳定性分析
4.4.3 仿真算例
4.5 绕飞轨道跟踪很优线性反馈控制
4.5.1 很优线性反馈控制设计
4.5.2 仿真算例
4.6 本章小结
参考文献
第5章 小行星表面着陆很优制导
5.1 引言
5.2 受控着陆很优制导问题描述
5.3 很优控制律和一阶必要条件
5.3.1 时间很优
5.3.2 燃料很优
5.4 燃料很优问题求解的同伦方法
5.4.1 同伦法描述
5.4.2 飞行时长和初始位置对燃料影响分析
5.4.3 仿真算例
5.5 燃料很优问题求解的无初值猜测同伦方法
5.5.1 燃料很优与能量很优控制问题
5.5.2 零广义重力能量很优控制问题
5.5.3 无控制约束零广义重力能量很优控制问题解
5.5.4 无初值猜测同伦方法
5.5.5 仿真算例
5.6 燃料很优问题凸优化求解方法
5.6.1 近似等价问题
5.6.2 仿真算例
5.7 时间很优问题凸优化求解方法
5.7.1 等价关联可凸化很优着陆问题
5.7.2 最小着陆误差问题性质
5.7.3 简化最小着陆误差问题
5.7.4 很优飞行时长快速搜索方法
5.7.5 仿真算例
5.8 本章小结
参考文献
第6章 小行星表面着陆在线制导与控制
6.1 引言
6.2 基于解耦轨迹规划的在线制导
6.2.1 解耦轨迹规划问题
6.2.2 解耦轨迹规划方法
6.2.3 仿真算例
6.3 着陆多滑模面制导
6.3.1 多滑模面制导设计
6.3.2 仿真算例
6.4 着陆轨迹终端滑模控制
6.4.1 终端滑模控制设计
6.4.2 终端滑模控制分析
6.4.3 仿真算例
6.5 本章小结
参考文献
附录 解耦轨迹规划问题控制切换点解析解