航天器动力学与嵌入式模型控制

《航天器动力学与嵌入式模型控制》围绕航天器动力学与控制问题，划分为基础理论、轨道模型和控制、姿态模型与控制、案例分析和拓展四部分进行了详细的阐述。
　　《航天器动力学与嵌入式模型控制》将嵌入式模型控制的理论和方法引入航天器轨道和姿态控制系统设计中，借助GOCE卫星控制系统设计的工程实例，对相关技术进行了深入诠释。
　　《航天器动力学与嵌入式模型控制》读者对象为航空航天及控制专业的本科生、研究生和科研人员，章节划分逻辑清晰、公式推导过程详实，并提供了大量的练习。
　　《航天器动力学与嵌入式模型控制》适合研究生进行相关专业知识的学习，此外，还提供了设计案例和分解流程，借助计算机可以检验和验证，也适合工程技术人员作为参考资料使用。

航天技术已成为衡量一个国家综合国力和科技水平的重要因素。中国，在从航天大国向航天强国迈进的征程中，迫切需要与国家发展实力相称的航天技术与航天装备。伴随新一代全球通信卫星与空间互联网星座、空间引力波探测卫星等为代表的大规模、高精度空间设施的研究开发，无论是面向基础科研的高精度深空探测任务，还是面向行业应用的通信、导航、遥感等需求，都需要高可靠、高精度的轨道和姿态控制作为技术支撑。
　　在中山大学天琴中心无拖曳控制研究室全体师生的共同努力下，经过认真地翻译、校稿、审定，终于将意大利都灵理工大学恩瑞科·卡努托教授的新著——《航天器动力学与嵌入式模型控制》，在国内翻译出版了！这部600余页、共计70余万字的专著，是卡努托教授在都灵理工大学研究生课程《航空航天建模与控制》讲义的基础上，扩充和修订之后形成的一部力作。本书在国内出版，无疑将拓展国内航天领域对于轨道姿态动力学及控制方法的研究视野。本书对航天器动力学与控制的经典理论和方法进行了精炼化的阐述。其一大特色，是将嵌入式模型控制的理论和方法引入航天器轨道和姿态控制系统设计，将最新的研究成果有机融入到各个章节，并依托GOCE卫星的控制系统设计的工程实例，进行了深入的诠释。
　　本书系统介绍了航天器轨道和姿态控制，主要内容如下。
　　第1章、第2章的内容为基础理论。第3-5章为轨道动力学模型和摄动分析。第3章分析了二体问题、开普勒方程和轨道参数，并以李雅普诺夫直接法分析轨道稳定性，给出了Hill-Clohessy-Wiltshire（HCW）状态方程的第一种推导。第4章的环境影响部分，分析了摄动力和摄动力矩，综合考虑了干扰力和干扰力矩的影响，并分析了柔性附件和液体晃动导致的内部力和力矩。第5章摄动轨道动力学对HCW方程展开了全面分析，介绍了离散时间随机方程描述的扰动特性分析方法，依据冻结轨道的定义和条件完善了高斯和拉格朗日行星运动方程，对HCW方程和相关的反馈稳定性进行了分析，对切向运动和径向运动之间的反馈解耦条件进行了推导，并讨论了限制性三体问题。
　　第6章、第7章是姿态建模与控制部分，体现了姿态模型理论和控制方法的有机融合。第6章对李雅普诺夫直接法加以扩展，一方面给出闭环稳定条件；另一方面设计四元数状态预测器，并与经典的卡尔曼滤波进行了对比分析。第7章讨论了经典的刚体运动欧拉方程和完备的闭环姿态动力学模型，分析了重力梯度和气动干扰力矩作用下的刚体姿态变化。此外，还对主动章动阻尼、航天器磁力矩器抑制翻滚，以及反作用飞轮和磁力矩姿态控制进行了介绍。
　　第8-10章为姿态确定部分。第8章为轨道和姿态传感，阐述了测量误差的建模和离散化方法。第9章为轨道和姿态的调节驱动，主要阐述了反作用飞轮、控制力矩陀螺、磁力矩器3种经典的航天器驱动机构。第10章为姿态确定，分析了圆锥相交的两轴姿态确定方法和三轴TRIAD姿态确定方法，介绍了经典的Wahba问题，讨论了通过方向测量值确定角速率的问题。
　　第11-14章为案例分析和拓展部分。第11章为轨道控制和预测，是第2-5章的拓展和深化。第12章给出了一个完整的科学卫星任务姿态控制案例，深入分析了5种模式的姿态控制问题，旨在实现高精度的无拖曳姿态控制需求。第13章总结归纳了动态系统相关知识，介绍了状态方程的原理和特性，讨论了闭环传递函数、灵敏度和补灵敏度等概念，并阐述了动力学系统中随机过程、状态估计和预测问题。第14章结合单输入/单输入系统的案例，对所有的不确定性进行了分类，以Z变换的形式，对不确定源的上界进行描述，并推导了误差传递关系；运用H∞范数和小增益定理，推导了两个稳定性不等式和4个性能指标不等式，给出了控制律的设计方法。
　　当前，航天控制技术还面临很多基础的共性问题，包括极端条件带来的非线性与不确定性问题、模型描述的准确性与有效调控问题等。本书涵盖的相关理论和技术，可以为航天器的轨道和姿态控制提供坚实的理论支撑与系统的设计方案，且为轨道动力学与控制、姿态控制提供了高精度的参考算法。此外，还可以为不确定性状态预测器设计、基于模型的控制律设计等具体的航天器控制问题，提供参考解决方案。因此，翻译该著作，可以加快相关理论和方法在国内的传播、理解和运用，有力促进我国航天器控制技术的发展。