微小卫星轨道工程应用与STK仿真 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陈宏宇，吴会英，周美江，齐金玲 著

图书标签:

• 微小卫星
• 轨道工程
• STK仿真
• 航天工程
• 卫星技术
• 轨道力学
• 空间技术
• 仿真技术
• 工程应用
• 卫星轨道

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030492999

版次：01

商品编码：11969611

包装：平装

丛书名： 空间技术与应用学术著作丛书

开本：16开

出版时间：2016-08-01

正文语种：中文

内容简介

本书是作者在航天单位工作近15年的工程经验总结，讨论了微小卫星编队协同轨道设计与轨控策略方面的技术问题并给出工程解决方案，主要内容包含卫星轨道应用基础知识、轨道设计与控制方面的工程优化实施方案，各类推进子系统选型比较等。本书以轨道仿真设计软件STK（SatelliteToolKits）为例演示了理论知识的具体仿真应用，特别说明了STK如何与工程需求结合、STK应用过程中应该注意的技术细节等。对工程实践具有参考价值。

《深空探测器自主导航与轨道控制技术研究》 第一章 绪论：深空探测的时代背景与技术挑战 本章首先回顾了人类探索宇宙的历史进程，并重点阐述了当前深空探测任务在行星际航行、小天体访问以及地外天体着陆等方面所面临的复杂环境与严峻挑战。随着探测器任务距离的延伸和目标复杂度的增加，传统地面测控模式的局限性日益凸显，对任务自主性提出了前有未有的要求。本章将深入剖析深空探测任务对高精度、高鲁棒性自主导航与轨道控制系统的迫切需求，为后续章节的技术研究奠定理论基础和应用背景。重点讨论了自主导航在远距离通信延迟、实时计算资源受限以及不可预见环境变化下的关键技术瓶颈。 第二章 导航基准与状态估计理论 本章详细阐述了深空探测器自主导航所依赖的各类观测信息获取技术及其处理方法。内容涵盖了基于惯性测量单元（IMU）和星敏感器的组合导航误差模型建立，重点分析了深空环境下星光测量偏差的修正技术，如太阳光压和探测器姿态扰动对星敏感器观测值的影响。在状态估计方面，本章系统梳理了扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）在非线性系统下的应用与改进。特别引入了基于粒子滤波（PF）的蒙特卡洛方法，用于处理高动态、高噪声环境下的状态估计问题，并结合实际探测器案例，展示了不同滤波算法在收敛速度和精度上的权衡与选择标准。 第三章 相对导航与近场感知技术 针对探测器在接近、环绕或着陆目标天体（如小行星、彗星或行星）时的关键阶段，本章聚焦于相对导航技术的研究。详细介绍了基于视觉测距（VLBI）、激光雷达（LiDAR）以及双向测距测速（TDRSS）等多种传感器的数据融合技术，以实现对目标天体的精确相对定位。本章深入探讨了特征点跟踪、几何约束优化在相对轨道确定中的应用。此外，对深空探测器在着陆过程中的避障策略和地形匹配导航方法进行了细致的分析，包括生成式对抗网络（GAN）在模拟复杂地形下的训练与验证，确保探测器在缺乏先验地图时的安全着陆能力。 第四章 轨道机动规划与优化控制 本章核心内容在于阐述深空探测器如何在复杂的引力场环境中，依据预设目标和燃料约束，实现最优的轨道机动。首先，系统回顾了基于数值积分的轨道传播模型，并针对长时程轨道传播中的误差累积问题，提出了高阶积分算法的修正方案。随后，本章详细分析了霍曼转移、引力辅助（重力助推）等经典轨道设计方法的适用性，并重点引入了基于微分平价（Differential Dynamic Programming, DDP）和模型预测控制（MPC）的轨迹优化方法。通过引入高阶约束（如推力限制、热控约束），实现对推进剂消耗最小化和任务时间最优化的闭环控制律设计。 第五章 自主轨道保持与姿态协同控制 深空探测器长时间运行中，必须具备抵抗微扰动（如太阳辐射压力、微小行星撞击）的能力，实现精确的自主轨道保持。本章详细构建了深空环境下的外部扰动力学模型，包括太阳光压系数的估计方法。在控制执行方面，本章探讨了基于脉冲最优控制的轨道修正策略，并将其与高精度姿态控制相结合。内容涵盖了反应轮/磁力矩器组合控制系统在姿态快速建立与稳定方面的设计原理，并引入了适应性（Adaptive）和鲁棒（Robust）控制理论，以应对传感器漂移和执行器性能衰减带来的不确定性。 第六章 任务级自主性与故障容错架构 本章将技术焦点提升至任务级自主决策层面。探讨了如何构建一个具备任务感知和异常诊断能力的软件架构。详细描述了基于规则引擎和有限状态机（FSM）的任务流管理，以及在导航、控制链路中断或传感器失效情况下的自主重构策略。内容包括：自主故障检测（FDD）算法的建立，如基于残差分析的异常值检测；以及在自主导航信息缺失时，如何安全地切换至惯性导航模式或执行预设的安全保持程序。本章旨在为实现完全无人干预的深空探测任务提供理论框架和工程实现路径。 第七章 仿真验证与在轨性能分析 本章侧重于对前述理论和算法的工程验证。详细介绍了构建高保真深空探测任务仿真环境的关键要素，包括高精度星历数据的获取、空间环境模型的精确模拟（如行星引力场模型、大气阻力模型在近地段的应用）。本章展示了通过大样本Monte Carlo仿真对导航滤波器性能的统计学评估方法。最后，通过对比实际任务（如已完成的行星际探测任务）的测控数据与仿真预测结果，验证了自主导航与控制系统在长期运行下的精度、鲁棒性和燃料效率，为未来深空任务的工程应用提供参考数据。

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我欣赏这本书所流露出的那种严谨的“工程哲学”，它强调的不仅是计算的正确性，更是工程决策的鲁棒性与可验证性。作者在讨论轨道确定和状态估计的部分，表现出了对不确定性管理的深刻洞察力。他没有简单地推荐卡尔曼滤波，而是深入剖析了不同滤波器（如扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波）在处理非线性轨道动力学模型时的收敛特性和计算成本权衡。更关键的是，书中反复强调了验证和确认（V&V）在整个轨道工程生命周期中的核心地位，并提供了如何设计高效的敏感性分析流程的指导，用以评估环境模型变化对轨道预报精度的冲击。这种对“工程可靠性”的执着，使得这本书超越了一般的教科书范畴，更像是一份宝贵的工程规范指南。它教会读者在面对真实世界中必然存在的传感器噪声、模型误差和环境扰动时，如何构建一个既能满足任务指标、又能承受风险波动的轨道系统。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和印刷质量给我留下了非常深刻的印象。首先，纸张的触感细腻而厚实，使得长时间阅读时眼睛不容易感到疲劳。封面设计简约而不失专业感，黑色的主色调搭配少许银色的字体，透露出一种严谨的学术氛围。我尤其欣赏内页的排版，图文并茂的布局非常清晰，即便是复杂的数学公式和工程图表，也能一目了然。作者在细节上的用心程度，从索引的精确性到章节划分的逻辑性都体现得淋漓尽致。例如，在讲解某个复杂的动力学模型时，配上的插图不仅形象直观，而且标注极其详尽，这对于初学者来说无疑是巨大的福音。书中的字体选择也十分考究，大小适中，行距合理，使得阅读过程如丝般顺滑，完全没有现代许多技术书籍那种拥挤、压迫的感觉。可以说，从拿到这本书的那一刻起，我就能感受到它作为一本专业参考书的“分量感”和“品质感”，这对于沉浸式学习一门硬核技术至关重要。这种对实体书制作精益求精的态度，让人觉得作者和出版社对内容的尊重，也间接提升了读者对知识的接受度。

评分☆☆☆☆☆

这本书在理论深度上展现出了惊人的广度与深度，它绝不仅仅是停留在表面概念的介绍，而是扎扎实实地构建了一个从基础物理到高级工程实践的完整知识体系。我特别留意了它对于轨道机动理论的阐述，作者并未满足于抛出标准的拉格朗日方程，而是深入挖掘了不同摄动项（如大气阻力、地球非球形引力场等）对轨道维持的具体影响机制，并辅以历史上的经典案例进行对比分析。更令人称赞的是，它在理论推导的严密性之外，还注重实际工程中的适用性考量。例如，在处理有限推力机动和霍曼转移轨道优化时，它清晰地指出了不同优化算法（如微分修正法与全局优化法的适用边界）的优缺点，这对于指导工程师选择合适的工具至关重要。这种将理论的“为什么”和实践的“怎么做”完美结合的叙事方式，极大地拓宽了我的认知边界，让我体会到航天动力学并非是孤立的数学游戏，而是与实际任务目标紧密相连的综合科学。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书的过程，就像是跟随着一位经验极其丰富的导师进行一对一的研讨，其教学法的巧妙之处在于对学习难点的预判和引导。作者非常懂得如何循序渐进地引入高难度概念。在介绍完基本的二体问题和开普勒定律后，并没有急于跳入复杂的N体摄动，而是先用一整章的篇幅，通过大量的简化模型和类比，帮助读者建立起对轨道预测误差敏感性的直观理解。这种“打地基”的工作做得非常扎实。我发现自己对于以往难以理解的“雅可比积分”和“相空间轨迹”等概念，在这本书中得到了全新的、更具物理图像的解释。特别是在涉及数值积分方法的部分，作者不仅罗列了Runge-Kutta等经典方法，还针对轨道力学特有的保守性要求，详细比较了辛积分算法的优势，并配以清晰的流程图，使得原本晦涩的编程实现路径变得清晰可见。这种高超的教学艺术，让原本望而生畏的专业知识变得触手可及，极大地增强了学习的自信心。

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这本书在案例分析和工程前瞻性方面做得非常出色，它成功地跨越了纯理论与纯应用之间的鸿沟。不同于许多只关注标准任务（如地球同步轨道保持）的教材，这本书花了不少篇幅探讨了新兴领域的挑战，比如低地球轨道（LEO）的碎片规避策略，以及微小卫星群（Constellation）的编队控制与相对导航精度要求。通过对实际任务约束条件的引入，如载荷功耗限制、星间通信延迟对编队保持的影响，读者可以立刻感受到理论计算结果在真实世界中会如何被“打折”和修正。举例来说，书中关于微小卫星间距维持的章节，详细分析了星载相对导航传感器（如激光雷达或视觉导航）的误差模型如何直接转化为轨道摄动控制的预算需求，这是一种非常务实和前沿的讨论视角。这种“把读者直接拉到任务控制台前”的叙事手法，使人能深刻体会到轨道工程的复杂性和多目标优化决策的艰难性。

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