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第1章 绪论1

1.1 航天器编队飞行特点与应用方向1

1.1.1 航天器的集群化发展趋势1

1.1.2 航天器编队飞行的特点2

1.1.3 航天器编队飞行的应用方向3

1.2 航天器编队飞行的技术基础与概念拓展4

1.2.1 航天器编队飞行的动力学与控制基础4

1.2.2 航天器编队飞行的概念拓展6

1.3 本书内容安排7

参考文献8

第2章 航天器编队飞行的动力学方程10

2.1 Clohessy-Wiltshire方程10

2.1.1 相对运动动力学方程的建立基础10

2.1.2 相对运动动力学方程的建立11

2.1.3 相对运动动力学方程的简化13

2.1.4 C-W方程的解集分析14

2.1.5 基于C-W方程的构形设计方法16

2.1.6 C-W方程的误差分析19

2.2 Lawden与Tschauner-Hempel方程20

2.2.1 T-H方程的推导21

2.2.2 Lawden的推导与分析23

2.2.3 Lawden方程的求解24

2.2.4 Lawden方程解的周期性条件25

参考文献27

第3章 近圆轨道航天器编队构形设计与摄动分析28

3.1 相对运动与构形设计28

3.1.1 变量定义与前提条件28

3.1.2 运动学方程的建立29

3.1.3 运动学方程的一阶近似29

3.1.4 用轨道根数表达相对运动30

3.1.5 近圆轨道编队构形的设计步骤32

3.2 编队构形稳定性分析32

3.2.1 编队构形稳定性仿真分析32

3.2.2 编队构形破坏机理分析36

3.3 三轴振动同步的构形设计方法38

3.3.1 三轴振动同步的条件38

3.3.2 基于三轴振动同步的编队构形设计步骤39

3.3.3 三轴振动同步的构形仿真39

3.4 J2摄动作用下编队构形的表达42

3.4.1 构形表达式的重新推导42

3.4.2 J2摄动作用下编队构形表达式43

3.4.3 仿真结果分析48

参考文献49

第4章 椭圆轨道航天器编队的相对运动分析与构形设计51

4.1 椭圆轨道的相对运动表达与摄动分析51

4.1.1 椭圆轨道编队相对运动的真近点角表达形式51

4.1.2 椭圆轨道编队相对运动的平近点角表达形式53

4.1.3 摄动分析以及考虑摄动的编队设计55

4.1.4 椭圆轨道相对运动的仿真分析58

4.2 椭圆轨道的编队构形设计60

4.2.1 椭圆轨道相对运动的基本轨迹60

4.2.2 椭圆轨道相对运动轨迹的特性分析65

4.2.3 椭圆轨道相对运动构形设计68

4.3 椭圆轨道编队飞行的应用简介76

4.3.1 椭圆轨道编队飞行试验计划76

4.3.2 地磁场测量的任务阶段77

4.3.3 椭圆轨道编队飞行的优势78

参考文献78

第5章 基于GNSS的相对运动测量原理80

5.1 GNSS相对测量原理与应用80

5.1.1 GNSS相对测量原理80

5.1.2 GNSS在卫星相对测量中的工程应用84

5.2 相对运动测量中的滤波技术85

5.2.1 EKF滤波85

5.2.2 UKF滤波87

参考文献91

第6章 基于多冲量的相对运动构形控制方法92

6.1 编队构形的冲量捕获策略92

6.1.1 相对运动与冲量的关系92

6.1.2 简单多冲量与构形生成95

6.1.3 编队捕获策略与仿真98

6.2 构形重构的冲量控制策略101

6.2.1 推力模式的能控性分析101

6.2.2 相对运动构形的多冲量控制102

6.2.3 基于简单四冲量的构形重构仿真105

6.3 基于多冲量的构形保持控制方法107

6.3.1 长期伴飞保持控制思路108

6.3.2 基于相对运动测量的构形确定方法109

6.3.3 基于多冲量的构形保持控制仿真110

6.4 不同发动机推力模型的构形控制效果分析113

6.4.1 三种推力模型113

6.4.2 相对运动状态转移矩阵114

6.4.3 基于不同推力模型的构形控制效果115

6.4.4 连续变化小推力模型的工程实现方法118

参考文献120

第7章 InSAR航天器编队的设计与控制122

7.1 InSAR航天器编队的优化设计122

7.1.1 主星带伴随编队模式的InSAR系统概念122

7.1.2 面向DEMs测量的主星带伴随编队InSAR系统约束分析124

7.1.3 主星带伴随编队InSAR系统优化设计131

7.2 InSAR航天器编队的协同控制137

7.2.1 SAR卫星的多普勒频移与偏航导引补偿137

7.2.2 InSAR编队的协同控制问题与解决思路140

7.2.3 协同规划与控制方法141

7.2.4 构形与姿态协同控制仿真144

参考文献148

第8章 平动点轨道航天器编队飞行150

8.1 DARWIN与TPF计划150

8.1.1 DARWIN计划150

8.1.2 TPF计划151

8.2 三体轨道概念简介153

8.2.1 限制性三体轨道动力学153

8.2.2 雅可比积分与力场特性154

8.2.3 平动点概念156

8.2.4 平动点附近的周期轨道157

8.3 平动点轨道编队构形的设计与控制164

8.3.1 平动点轨道编队飞行的动力学模型164

8.3.2 基于Floquet模态的平动点轨道编队构形设计170

8.3.3 基于Floquet模态的平动点轨道编队构形控制177

参考文献185

第9章 绳系卫星系统187

9.1 绳系卫星的研究概况187

9.1.1 概念起源187

9.1.2 工程实践188

9.2 非导电绳系卫星的动力学190

9.2.1 重力梯度效应190

9.2.2 动量交换原理192

9.2.3 绳系系统的动力学建模194

9.3 导电绳系卫星的电动力学196

9.3.1 电动作用原理196

9.3.2 电子发射与电流采集技术197

9.4 面向应用的绳系系统设计201

9.4.1 系统概念与发展201

9.4.2 系统结构与组成202

9.4.3 系统的空间操作209

9.5 光子绳系编队飞行的概念211

9.5.1 光子绳系编队的原理212

9.5.2 光子绳系编队的结构与组成213

9.5.3 光子推进和绳系编队的应用设想217

参考文献218

第10章 电磁力编队飞行222

10.1 电磁力编队飞行的基本原理222

10.1.1 电磁力编队飞行的基本概念与优势222

10.1.2 电磁力编队飞行的未来应用设想223

10.2 电磁力编队飞行的动力学建模225

10.2.1 电磁力／力矩225

10.2.2 环路电流的磁场225

10.2.3 电磁力编队飞行的数学建模231

10.3 电磁力编队的关键技术问题232

10.3.1 高温超导技术232

10.3.2 电磁系统总体与实验设计技术234

10.3.3 电磁力／力矩计算与测量技术237

10.3.4 非线性控制技术237

参考文献238

第11章 库仑力编队飞行239

11.1 库仑力编队的基本原理239

11.1.1 航天器的空间充电现象239

11.1.2 库仑力形成的物理机理241

11.1.3 Debye效应与静电力的计算243

11.2 库仑力编队的动力学建模与虚拟结构245

11.2.1 库仑力编队的Hill方程245

11.2.2 库仑编队静态稳定构形246

11.2.3 库仑力的虚拟空间结构250

11.3 库仑力编队的新进展253

11.3.1 平动点库仑力编队253

11.3.2 库仑绳系编队254

参考文献256

第12章 洛伦兹力编队飞行258

12.1 洛伦兹力航天器的基本概念258

12.1.1 带电物体在磁场中受到的洛伦兹力258

12.1.2 洛伦兹力航天器系统结构设想258

12.1.3 洛伦兹力在两类典型地心轨道上的应用259

12.1.4 简单构形重构仿真分析261

12.2 洛伦兹力航天器编队的动力学方程与分析265

12.2.1 考虑洛伦兹力的相对运动方程265

12.2.2 圆参考轨道线性方程的运动稳定性分析266

12.2.3 基于线性方程的可控性分析266

12.3 库仑力-洛伦兹力航天器编队飞行介绍269

12.3.1 洛伦兹力与库仑力的比较分析269

12.3.2 库仑力-洛伦兹力航天器编队概念271

12.4 洛伦兹力的扩展应用274

12.4.1 洛伦兹力作用下的拉格朗日行星运动方程274

12.4.2 利用洛伦兹力增强引力辅助变轨技术276

参考文献279