卫星轨道姿态动力学与控制

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出版者:北京航空航天大学出版社
作者:章仁为
出品人:
页数:320
译者:
出版时间:1998-8
价格:40.00元
装帧:平装
isbn号码:9787810127219
丛书系列:
图书标签:
  • 卫星
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具体描述

内容简介

本书以中低轨道遥感卫星和静止轨道通信卫星为重点,系统地阐述卫星轨道和姿态动力学的

基本原理、轨道和姿态控制的设计思想及设计方法。主要内容包括:卫星轨道的基本特性、特殊轨

道的设计,轨道摄动分析,入轨控制和轨道保持控制;卫星姿态运动特性,姿态确定,姿态稳定和机

动的控制方式。内容丰富,文笔流畅,工程实用性强。

本书可作为有关高等理工科院校研究生的教材,也可供从事卫星研制和卫星应用工作的研究

人员和工程技术人员参考。

《高精度星载惯性导航系统原理与应用》 内容简介 本书深入探讨了高精度星载惯性导航系统的基本原理、关键技术及其在现代航天工程中的广泛应用。全书结构严谨,内容涵盖从理论基础到工程实践的多个层面,旨在为从事航天器姿态和轨道确定、高精度导航定位的科研人员、工程师以及相关专业学生提供一本全面而深入的参考资料。 第一部分:惯性导航系统基础理论 本部分首先回顾了经典导航学的基本概念,重点阐述了惯性导航系统的核心——导航坐标系、基本运动方程以及误差模型的建立。 1. 导航坐标系与参考系: 系统地介绍了地球固连参考系(ECEF)、天球惯性参考系(ECI)以及航天器平台坐标系之间的数学变换关系。详细推导了欧拉角、四元数在描述空间姿态时的优势与局限性,并重点分析了如何利用高阶地球势模型和精密星历数据实现导航系统各参考系之间的实时、高精度转换。 2. 惯性传感器原理: 全书用大量篇幅剖析了高精度惯性测量单元(IMU)中关键传感器的物理原理和误差特性。 光纤陀螺(FOG)与激光陀螺(HRG): 详细讲解了萨格纳克效应的物理基础,分析了Sagnac漂移、角速率随机游走、偏置不稳定性等关键误差源。重点介绍了先进的补偿技术,如温度漂移模型修正和磁场耦合抑制。 高精度加速度计: 阐述了电容式和科里奥利式加速度计的工作机制,深入讨论了零偏稳定性、比力测量精度以及受环境振动影响的误差模型。 3. 导航微分方程与初始对准: 详尽推导了在非惯性系下,基于比力测量的导航微分方程组(如北-东-天坐标系下的速度、位置和姿态更新方程)。着重介绍了高精度初始对准技术,包括静基座对准、行进对准(适用于高机动环境)的数学流程,以及如何利用外部观测(如GPS/北斗、星敏感器)辅助实现快速、高精度的初始姿态和速度确定。 第二部分:系统误差分析与滤波技术 本部分是本书的重点,集中于如何量化、建模和实时抑制惯性导航系统在长期运行中累积的误差。 1. 误差建模与传播: 建立了高精度IMU误差的综合模型,包括系统性误差、随机误差和时变误差。利用卡尔曼滤波理论的框架,推导了误差状态向量的演化方程,为后续的滤波设计奠定理论基础。对系统误差的长期漂移特性进行了统计分析。 2. 扩展卡尔曼滤波(EKF)与无迹卡尔曼滤波(UKF): 系统阐述了将IMU数据与外部导航传感器(如GNSS接收机、星敏感器、地面雷达等)进行最优融合的滤波框架。详细介绍了EKF在线性化假设下的状态估计过程,并对比分析了UKF在处理非线性系统(如姿态动力学方程)时的优势。给出了针对星载平台的具体应用实例,包括量化滤波协方差矩阵的变化规律。 3. 容错与自检技术: 探讨了在轨导航系统可靠性保障的关键技术。介绍了冗余配置IMU的数据校验算法(如投票制、基于残差的异常检测),以及如何利用系统辨识技术在线估计传感器漂移参数,实现导航系统性能的自适应保持和故障诊断。 第三部分:星载导航系统的设计与应用 本部分将理论知识应用于实际航天器导航场景,关注系统集成、精度指标和典型任务应用。 1. 导航系统架构与集成: 描述了现代星载导航控制系统的总体架构,包括传感器层、数据预处理层、状态估计层和指令生成层。重点分析了数据总线(如SpaceWire、MIL-STD-1553B)对导航信息传输实时性和完整性的影响。讨论了如何优化IMU与GNSS接收机、星敏感器等观测设备之间的时间同步和空间标定。 2. 精度指标与性能评估: 定义了星载导航系统所需的核心性能指标,包括位置均方根误差(RMSE)、姿态角误差、速度漂移率和导航可靠性指标。提供了在不同任务阶段(如发射入轨、姿态机动、近地捕获)下,如何根据任务需求设定和验证导航精度的方法论。 3. 典型任务应用案例: 近地轨道卫星轨道保持与再入控制: 分析了在强磁场、高大气阻力环境下,如何利用高精度惯导系统辅助实现轨道维持和精确姿态指向。 深空探测器自主导航: 讨论了深空环境下,惯性导航系统如何作为长期自主导航的基础,配合星光导航、双向测距等遥感数据,实现跨越数亿公里的自主轨道推算与修正。 在轨服务(OOS)与交会对接: 阐述了高精度IMU在相对导航中的关键作用,特别是在近距离自主跟踪、目标姿态估计和末端制导过程中的高频数据支持。 结论 本书强调了理论深度与工程实践的紧密结合,通过详尽的数学推导和贴近实际的案例分析,旨在帮助读者全面掌握高精度星载惯性导航系统的设计、建模、滤波与验证方法,为我国航天事业的高精度化发展提供坚实的理论和技术支撑。

作者简介

目录信息

目录
第一章 卫星轨道的基本特性
1.1二体轨道特性
1.1.1卫星轨道要素
1.1.2卫星位置和速度公式
1.1.3卫星轨道定轨公式
1.2星地空间几何
1.2.1星下点轨迹
1.2.2可见覆盖区
1.2.3通信波束服务区
1.2.4遥感图像几何定位
1.3发射窗口
1.3.1发射三要素
1.3.2阳光窗口
1.3.3平面窗口
1.4太阳同步轨道
1.5临界和冻结轨道
1.6回归轨道
1.7静止轨道
1.8星座轨道
1.8.1全球连续覆盖卫星群
1.8.2地球同步卫星群
第二章 卫星轨道的摄动
2.1卫星轨道摄动方程
2.1.1卫星的球坐标运动方程
2.1.2卫星轨道要素的摄动方程
2.2地球形状摄动
2.2.1地球引力场的位函数
2.2.2近地轨道的地球形状摄动
2.2.3静止轨道的地球形状摄动
2.3日、月摄动
2.3.1日、月天文常数
2.3.2日、月摄动引力
2.3.3轨道平面内摄动
2.3.4轨道倾角摄动
2.4太阳光压摄动
2.5大气摄动
第三章 卫星轨道的控制
3.1轨道机动的基本关系
3.1.1单脉冲变轨
3.1.2双脉冲――霍曼变轨
3.1.3双脉冲――拱线变轨
3.2近地圆轨道的保持
3.3静止卫星的入轨控制
3.3.1上升段
3.3.2近地点射入
3.3.3远地点射入
3.3.4漂移控制
3.3.5定点置入
3.4静止卫星的入轨最优化
3.4.1射入误差的影响
3.4.2远地点射入的最优偏置
3.4.3最优远地点射入参数
3.4.4多次远地点射入
3.5静止卫星的位置保持
3.5.1静止轨道的控制特性
3.5.2东西位置保持
3.5.3南北位置保持
第四章 卫星轨道的确定
4.1地面站测固
4.2初始轨道的确定
4.2.1单站定轨
4.2.2三站定轨
4.3轨道改进
4.4自主定轨
4.4.1利用星敏感器的自主定轨
4.4.2利用导航星的自主定轨
第五章 卫星姿态动力学
5.1参考坐标系
5.2姿态的描述
5.2.1方向余弦式
5.2.2欧拉角式
5.2.3欧拉轴/角参数式
5.2.4欧拉四元素式
5.3姿态运动学方程
5.4姿态动力学方程
5.5自旋卫星姿态运动特性
5.5.1轴对称卫星的自由运动
5.5.2非轴对称卫星的自由运动
5.5.3Poinsot运动
5.5.4绕主轴旋转的稳定性
5.6双旋卫星姿态稳定性
5.6.1双旋卫星的章动特性
5.6.2能量耗散分析
5.7三轴稳定卫星姿态运动特性
5.7.1三轴姿态的稳定性
5.7.2动量卫星姿态运动特性
5.7.3动量控制原理
5.8空间力矩
5.8.1太阳光压力矩
5.8.2重力梯度力矩
5.8.3地磁力矩
5.8.4气动力矩
第六章 卫星姿态的确定
6.1自旋姿态的参考测量
6.1.1太阳方向的测量
6.1.2天底方向的测量
6.1.3陆标和星光方向的测量
6.2自旋姿态的几何确定
6.2.1双矢量确定姿态的算法
6.2.2姿态确定的太阳-地球方式
6.2.3双矢量确定姿态的最优估计
6.2.4姿态测量几何的分析
6.3三轴姿态的参考测量
6.3.1天底方向的测量
6.3.2太阳方向的测量
6.3.3星光方向的测量
6.3.4地磁场方向的测量
6.3.5天线电信标方向的测量
6.3.6惯性参考方向的测量
6.4三轴姿态的代数法确定
6.4.1双矢量确定姿态及精度估计
6.4.2多矢量确定姿态
6.5姿态确定的状态估计
6.5.1状态估计法的应用
6.5.2自旋姿态的估计
6.5.3含陀螺的三轴姿态估计
6.5.4无陀螺的三轴姿态估计
第七章 动量卫星的姿态控制
7.1自旋卫星的被动章动阻尼
7.1.1阻尼作用
7.1.2摆式阻尼器
7.1.3液体阻尼器
7.2双旋卫星的主动章动阻尼
7.2.1平台质量特性的阻尼作用
7.2.2章动反馈的阻尼作用
7.3自旋卫星的喷气控制
7.3.1喷气章动控制
7.3.2喷气进动控制
7.4动量轮卫星的喷气控制
7.4.1偏置外力矩控制
7.4.2伪速率喷气控制
7.4.3双脉冲喷气控制
7.4.4极限环
7.5单自由度动量控制
7.5.1单自由度动量构形
7.5.2俯仰控制
7.5.3滚动-偏航控制
7.5.4非最小相位控制
7.6两自由度动量控制
7.6.1双轮动量控制
7.6.2双框架动量控制
7.7失控和定向恢复
7.7.1卫星的平旋运动
7.7.2常值力矩法
7.7.3脉冲力矩法
7.7.4动量转移法
第八章 零动量卫星的姿态控制
8.1重力梯度被动稳定
8.1.1重力梯度卫星的姿态稳定性
8.1.2天平动的捕获
8.1.3天平动的阻尼
8.2全喷气控制
8.3反作用轮动量控制
8.3.1反作用轮的控制模型
8.3.2三正交反作用轮系统
8.3.3四斜装反作用轮系统
8.4力矩陀螺动量控制
8.4.1单框力矩陀螺群的构形
8.4.2单框力矩陀螺群的构形奇异
8.4.3单框力矩陀螺群的控制律
8.5姿态大角度机动控制
第九章 挠性卫星的姿态控制
9.1带挠性附件的卫星姿态动力学
9.1.1系统动力学方程
9.1.2挠性位移简化模型
9.1.3挠性附件模态分析
9.1.4混合坐标动力学方程
9.2控制模型
9.2.1共位模型
9.2.2非共位模型
9.3控制回路设计分析
9.3.1比例-微分控制
8.3.2模态溢出
9.3.3增益-相位稳定
参考文献
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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第四段: 作为一名在相关领域工作了一段时间的工程师,我更看重一本专业书籍是否能提供最新的研究视角和成熟的工程案例。这本书的章节安排似乎暗示了这一点,它似乎超越了基础的拉格朗日点理论,更深入地探讨了现代航天器面临的复杂扰动以及如何进行高效的实时控制。我非常好奇书中对于“智能”或“自适应”控制策略的论述篇幅。如果书中能够结合最新的计算方法,比如机器学习在轨道预测中的应用,那这本书的价值将倍增。此外,细节之处也体现了作者的严谨,注释和参考文献列表的规范性,表明了作者在学术态度上的审慎与负责,这对于需要引用和参考的读者来说,是至关重要的保障。

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第二段: 我一直对天体物理和航天工程抱有浓厚的兴趣,市面上相关的书籍汗牛充栋,但真正能做到深入浅出、兼顾理论深度与实践指导的却为数不多。这本书的出现,似乎填补了这一空白。从章节的标题来看,它似乎并未拘泥于传统的教材模式,而是更倾向于一种“问题导向”的叙事结构。这种结构非常符合我们这类实践型读者的需求,它会先抛出一个工程中的实际难题,然后层层剥茧地介绍解决该难题所需要的理论支撑和算法实现。我期待在后续的阅读中,能看到作者是如何将那些抽象的数学模型,巧妙地转化为可以指导实际航天器姿态控制的有效工具。如果内容能保持这种高度的实用性和前瞻性,那么这本书无疑将成为我们领域内不可或缺的参考手册。

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第五段: 这本书的整体气质非常沉稳大气,它不像市面上那些追求快速入门的速成读物,更像是一部需要时间去消化的经典著作。书中的语言风格显得非常精准和克制,每一个术语的使用都恰到好处,没有丝毫的夸张或含糊不清。在某些章节的开头,作者似乎设置了一些“思考题”或者“引人入胜的悖论”,这种设计非常巧妙,能瞬间抓住读者的好奇心,驱使我们主动去探寻背后的科学原理。我特别欣赏这种引导读者进行主动学习的教学方法,它强调的不是知识的灌输,而是思维的训练。这本书的厚度本身就是一种承诺,承诺了其中蕴含的知识的广度和深度,我期待着通过这段旅程,能够极大地提升我对该领域的认知层次。

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第三段: 翻阅这本书的引言部分,我立刻被作者对该领域发展历程的精炼总结所吸引。它没有冗长地堆砌历史,而是精准地抓住了几个关键的技术转折点,为读者构建了一个清晰的知识坐标系。这种对知识体系的深刻理解,往往是优秀教材的标志之一。从排版上看,书中似乎穿插了大量的图表和示意图,这些视觉辅助材料对于理解复杂的空间几何关系至关重要。我特别留意到,图注部分的处理非常细致,很多关键的物理量和坐标系的定义都被清晰地标注出来,这大大降低了初学者理解门槛。优秀的科普著作,往往在专业性和易读性之间找到了完美的平衡点,从目前的观感来看,这本书似乎已经具备了这种潜质,让人有信心去攻克那些看似高不可攀的难题。

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第一段: 这本书的装帧设计着实让人眼前一亮,拿到手里就有一种沉甸甸的质感,封面设计简约而不失科技感,那种深邃的蓝色调仿佛真的能带人进入浩瀚的宇宙空间。内页的纸张质量也是上乘,印刷清晰,排版疏密有致,长时间阅读也不会感到视觉疲劳。从目录上看,它涵盖了从基础理论到前沿应用的广泛领域,这对于我们这些希望系统性学习相关知识的读者来说,无疑是一份宝藏。我尤其欣赏作者在内容组织上的逻辑性,从宏观概念的引入,到具体技术的剖析,每一步都衔接得非常自然流畅,让人感觉每翻开一页都是在稳步地向前探索,而不是迷失在复杂的公式和概念之中。尽管尚未深入阅读,但仅仅是初步的浏览,就已经能感受到作者在内容编排上的匠心独运,这绝对是一本值得细细品味的专业书籍。

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写得不够亲切

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航天器动力学参考书目,用课件,无教材

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