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| 編輯推薦： |
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（1）本书研究讨论的制导控制技术，强调的是实用性，所涉及的技术方法很多都在国内外典型的深空探测任务中得到了应用和验证，包括阿波罗、维京、好奇号等，也包括我国的嫦娥系列月球探测器。（2）本书注重的是航天动力学、控制理论等与实际制导技术的结合，因此在叙述技术应用时会对相关的理论方法进行简单的回顾, 以便于读者建立理论与应用之间的联系。
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| 內容簡介： |
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本书内容分为4个部分, 共9章。第1部分介绍制导控制技术的基本概念, 对深空探测任务中制导问题的内涵、制导与导航和控制的关系、主要的制导方法等内容进行梳理和归纳,并对全书的主要内容进行概括。第2部分为理论篇, 分别介绍制导控制的动力学基础和控制理论基础, 它们为后续章节介绍具体制导控制方法提供了基础知识准备。第3部分为应用篇,首先介绍了具体的制导控制技术, 包括转移接近过程、软着陆过程、大气进入下降过程和返回再入过程, 这四个阶段基本覆盖了目前深空探测任务中主要的制导控制飞行阶段, 然后介绍了深空探测制导控制的地面试验方法。第4部分对深空探测制导控制技术未来的发展趋势进行了展望。本书既具有高的理论水平, 又具有好的实践参考价值, 能够有力推动我国深空探测器的制导技术的进一步发展, 对当前从事深空探测领域研究的工程技术人员有重要的指导作用。
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| 目錄：
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第1章 绪论 1 1.1 基本概念 2 1.1.1 制导、导航与控制 2 1.1.2 深空探测 3 1.2 深空探测典型任务中的制导控制技术 4 1.2.1 月球探测中的制导控制技术 4 1.2.2 火星探测中的制导控制技术 15 1.3 本书的主要内容 19 参考文献 20第2章 天体力学基础 24 2.1 参考坐标系及坐标变换 25 2.1.1 参考坐标系的定义 25 2.1.2 坐标系之间的变换 27 2.2 时间系统 28 2.2.1 时间系统的定义 28 2.2.2 儒略日的定义及转换 30 2.3 航天器动力学模型 31 2.3.1 中心体引力及形状摄动势函数 31 2.3.2 其他摄动模型 34 2.3.3 航天器动力学模型 35 2.4 小结 36 参考文献 37第3章 最优控制基础 38 3.1 最优控制问题的提出 39 3.2 变分法 41 3.2.1 终端时刻tf给定 41 3.2.2 终端时刻tf自由 43 3.3 极小值原理 46 3.4 最优控制的应用 47 3.4.1 最优控制的应用类型 47 3.4.2 应用实例 49 3.5 小结 51 参考文献 52第4章 星际转移和捕获中的制导和控制技术 53 4.1 轨道动力学 54 4.1.1 转移段 54 4.1.2 接近和捕获段 55 4.2 转移段制导控制方法 55 4.2.1 基于B平面的脉冲式轨道修正方法 55 4.2.2 连续推力轨道控制方法 63 4.2.3 推力在轨标定技术 65 4.3 接近和捕获过程的制导控制方法 66 4.3.1 B平面制导方法 66 4.3.2 自主轨道规划方法 68 4.3.3 气动捕获技术 76 4.4 应用实例 80 4.4.1 转移段轨道修正 81 4.4.2 接近段自主轨道规划 82 4.5 小结 83 参考文献 84第5章 月球软着陆的制导和控制技术 85 5.1 月球软着陆任务特点分析 86 5.2 月球着陆动力学 88 5.2.1 坐标系统 88 5.2.2 引力场和重力场 91 5.2.3 动力学方程 93 5.3 不含燃料约束的制导方法 94 5.3.1 重力转弯闭环跟踪制导 94 5.3.2 多项式制导 100 5.4 燃料最优制导方法 108 5.4.1 软着陆的最优制导问题 108 5.4.2 标称轨迹法 117 5.4.3 重力转弯最优制导方法 128 5.4.4 显式制导方法 137 5.5 定点着陆的最优制导方法 147 5.5.1 定点着陆的最优控制问题 147 5.5.2 基于显式制导的定点着陆制导 151 5.6 应用实例 155 5.7 小结 160 参考文献 160第6章 火星进入过程的制导和控制技术 162 6.1 火星进入任务特点分析 163 6.1.1 火星进入环境特性分析 163 6.1.2 火星进入舱气动力学特性分析 165 6.1.3 火星进入制导方法特点分析 165 6.2 基于标称轨迹设计的解析预测校正制导方法 167 6.2.1 标称轨迹设计 167 6.2.2 解析预测校正制导方法 172 6.2.3 航向校正制导方法 185 6.2.4 应用实例 186 6.3 基于阻力剖面跟踪的鲁棒制导方法 187 6.3.1 考虑不确定性的二阶阻力动力学模型 188 6.3.2 阻力剖面跟踪鲁棒制导方法 191 6.3.3 改进鲁棒制导方法 193 6.3.4 应用实例 195 6.4 小结 197 参考文献 197第7章 高速返回地球再入过程的制导和控制技术 199 7.1 高速返回再入动力学模型 200 7.1.1 坐标系的建立 200 7.1.2 坐标系间的转换矩阵 201 7.1.3 矢量形式的动力学方程 203 7.1.4 在半速度坐标系建立质心动力学方程 204 7.2 高速返回再入任务特点和轨迹特性分析 209 7.2.1 高速再入任务特点 209 7.2.2 高速再入轨迹特点与分段 211 7.2.3 高速再入轨迹各段的动力学特点 212 7.2.4 高速再入的弹道特性与再入走廊分析 215 7.2.5 参数偏差对高速再入过程量和着陆精度的影响 218 7.3 标准轨道再入制导方法 222 7.3.1 标准轨道制导方法概述 222 7.3.2 标称轨道制导方法跳跃式再入问题分析 224 7.3.3 基于Gauss伪谱法的参考轨迹优化设计 225 7.3.4 基于数值预测校正方法的参考轨迹在线设计 238 7.3.5 基于非线性预测控制方法的轨迹跟踪算法设计 241 7.4 预测校正再入制导方法 252 7.4.1 预测校正制导方法概述 252 7.4.2 预测校正制导方法过载抑制问题分析 254 7.4.3 开普勒段过载抑制算法 256 7.4.4 融合制导算法 258 7.4.5 应用实例 259 7.5 小结 267 参考文献 268第8章 制导控制技术的地面验证 271 8.1 着陆避障试验 272 8.1.1 悬吊试验——“LLRF” 273 8.1.2 自由飞试验——“睡神” 276 8.2 再入返回试验 285 8.2.1 “嫦娥-5飞行试验器” 简介 285 8.2.2 器舱组合介绍 287 8.2.3 试验飞行过程 290 8.3 小结 294 参考文献 294第9章 深空探测航天器制导控制技术发展展望 296 参考文献 302索引 304
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深空探测航天器，简称深空探测器或探测器，是指对月球以及月球以外的天体与空间进行探测的航天器。对于深空探测而言，由于探测器飞行距离非常遥远，地面干预特别困难，制导、导航与控制（GNC）系统的任务目标是实现探测器自主的轨道和姿态控制，其中，制导控制技术对于探测器完成关键阶段的飞行控制尤为重要，例如轨道转移控制、目标天体交会和捕获控制、进入下降着陆控制、起飞上升控制、返回再入控制等。在深空探测任务过程中，制导、导航与控制系统的三个组成部分各司其职、相互配合。导航负责获取飞行状态信息，制导负责制定飞行策略或确定飞行方向，控制负责实际执行，在这三者之中，制导处于核心地位。制导的严格定义是引导和控制航天器按照一定规律飞向目标或预定轨道的技术和方法。对于深空探测器来说，制导的主要任务是按照飞行目标或预定的飞行轨迹，确定当前实施轨迹调整所需要的控制量，即改变飞行轨迹所需要的加速度的大小、方向及后续的变化规律。该加速度可以由推进系统产生，也可以利用气动、太阳光压等外界环境产生。鉴于制导控制技术对深空探测的重要核心作用，本书专门针对该技术进行深入研究和探讨。由于深空探测任务目标多种多样，不同飞行阶段所采用的制导控制技术各不相同，涉及面非常广，在一本书中很难面面俱到。为了便于读者理解和获得一个整体印象，本书从制导控制技术的基本原理出发，重点围绕轨道转移控制、软着陆控制、大气进入再入控制等几个具有代表性的关键飞行过程展开。书中详细研究论述了各阶段制导控制方法的推导过程、算法编排、仿真验证和性能分析，并对地面试验技术进行了简单的介绍。全书内容分为4 个部分，共9 章。第1 部分为第1 章绪论，介绍制导控制技术的基本概念，对深空探测任务中制导问题的内涵、制导与导航和控制的关系、主要的制导方法等内容进行梳理和归纳，并对全书的主要内容进行概括。第2 部分为理论篇，包括第2、3 章，分别是制导控制的动力学基础和控制理论基础，它们为后续章节介绍具体制导控制方法提供了基础知识准备。第3 部分为应用篇，包括第4～8章，其中第4～7 章的每一章都以一个深空探测重要的任务阶段为对象，研究探讨具体的制导控制技术，包括转移接近过程、软着陆过程、大气进入下降过程和返回再入过程，这四个阶段基本覆盖了目前深空探测任务中主要的制导控制飞行阶段。第8 章作为共用技术，介绍了深空探测制导控制的地面试验方法。第4 部分是第9 章，对深空探测制导控制技术未来的发展趋势进行了展望。本书的主要特色如下。（1）本书进行了比较充分的理论方法回顾，介绍了研究深空探测制导控制技术所必须了解的坐标系系统、时间系统、动力学模型以及最优控制理论等基础知识。这样由浅入深的过程，非常有利于读者对根本问题的把握，以及对制导控制技术建立一个比较完整的概念。（2）本书研究讨论的制导控制技术，强调的是实用性，所涉及的技术方法很多都在国内外典型的深空探测任务中得到了应用和验证，包括阿波罗、维京、好奇号等，也包括我国的嫦娥系列月球探测器。（3）本书注重的是航天动力学、最优控制理论等与实际制导技术的结合，因此在叙述技术应用时会对相关的理论方法进行简单的回顾，以便于读者建立理论与应用之间的联系。本书在编写过程中，得到了李铁寿研究员、何英姿研究员、魏春岭研究员和李果研究员对本书章节内容安排的具体指导，得到了中国空间技术研究院嫦娥系列型号任务团队和火星型号任务团队的大力支持，其中张晓文、徐超、褚永辉等参与了本书部分内容的仿真、验证和整理工作。承蒙叶培建院士、刘良栋研究员、吴宏鑫院士、杨孟飞院士和马兴瑞老师对本书出版的深切关注和大力支持，嫦娥三号四号总设计师和首次火星探测任务探测器总设计师孙泽洲研究员对本书给予了指导并提出宝贵意见。本书的研究工作得到了国家杰出青年科学基金（61525301）、国防科技卓越青年科学基金、国家自然科学基金（61690215、61673057、61503023）、民用航天项目、北京空间飞行器总体设计部、北京控制工程研究所的大力支持，在此表示衷心的感谢。深空探测制导控制技术的覆盖面非常广，技术发展非常迅速，再加上作者水平有限，难以全面、完整地就研究前沿一一深入探讨。书中不当之处，恳请读者批评指正。著者
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