本书是编著者基于多年从事空间系绳系统动力学与运动控制研究和教学的经验编写的，包括空间系绳系统及相关基础知识、空间系绳系统动力学模型、空间系绳系统向垂直位置的标称展开程序计算、系绳与地垂线有偏离的空间系绳系统快速展开标称程序计算、基于空间系绳系统从轨道返回的返回舱进入大气层的条件计算、航天器升轨机动计算、空间系绳系统的空间相对平衡位置计算、小航天器分离时控制系统的过渡过程分析、空间系绳系统展开的最优控制器经典综合方法、空间系绳系统展开控制系统最优动态滤波器计算的经典方法、空间系绳系统的统计学仿真等内容。本书配有程序源代码，读者可登录华信教育资源网下载。本书可供本科生、硕士生和博士生在从事与空间系绳系统动力学与运动控制分析相关学习和研究时参考，也可供对空间系绳系统动力学与运动控制感兴趣的专家和工程师参考。

王长青，西北工业大学自动化学院教授、博导，导航制导与控制系系主任，飞行器综合体效能分析国际科技合作基地副主任，中俄国际空间系绳系统研究中心常务副主任。西北工业大学机械设计及其自动化专业学士学位，西北工业大学控制科学与工程专业硕士学位，俄罗斯莫斯科动力学院系统分析、控制与信息处理专业博士学位。主要研究方向：飞行控制与仿真技术、空间系绳系统动力学控制、先进智能控制理论及应用、机器视觉与人工智能等。获得陕西省高等学校科学技术奖二等奖1项，获陕西省优秀教学成果奖一等奖1项、二等奖1项，陕西省研究生教育成果奖二等奖1项，第五届全国高校教师实验教学仪器设备大赛一等奖1项，第二届工业数字孪生大赛（第四届中国工业互联网大赛工业互联网+数字孪生专业赛）全国总决赛 三等奖1项，陕西省科技工作者创新创业大赛铜奖1项。

目 录


第1章 空间系绳系统及相关基础知识 1
1.1 空间系绳系统概述 1
1.1.1 空间系绳系统是什么 2
1.1.2 空间系绳系统有什么用 3
1.1.3 空间系绳系统做什么 4
1.2 相关基础知识介绍 6
1.2.1 开普勒轨道介绍 6
1.2.2 惯性矩阵相关概念 11
1.2.3 动量相关概念 12
1.2.4 动量矩相关概念 13
1.2.5 转动系中的惯性力与科里奥利力 14
1.2.6 拉格朗日方程介绍 14
1.2.7 统计学相关概念 17
1.2.8 数值积分方法介绍 19
第2章 空间系绳系统动力学模型 23
2.1 引言 23
2.2 坐标转换基础 24
2.3 常用坐标系 26
2.3.1 常用坐标系定义 26
2.3.2 坐标转换矩阵 28
2.4 空间系绳系统模型建立 30
2.5 数值积分方法对建模精度的影响 33
2.6 小结 34
练习题 35
第3章 空间系绳系统向垂直位置的标称展开程序计算 37
3.1 引言 37
3.2 展开过程概述 37
3.3 展开控制律设计 38
3.3.1 最优振荡阻尼控制律 38
3.3.2 大长度空间系绳系统的展开控制律 40
3.4 参数优化方法 41
3.4.1 下山单纯形算法 42
3.4.2 遗传算法 43
3.4.3 优化算法对比 44
3.5 边值求解方法 44
3.6 边值问题求解示例 47
3.7 小结 49
练习题 49
第4章 系绳与地垂线有偏离的空间系绳系统快速展开标称程序计算 50
4.1 引言 50
4.2 展开过程概述 50
4.3 展开控制律设计 51
4.3.1 时间最优张力控制律 51
4.3.2 平滑张力控制律 52
4.3.3 基于双曲正切函数的平滑张力控制律 52
4.4 边值求解方法 53
4.5 边值问题求解示例 57
4.6 小结 58
练习题 58
第5章 基于空间系绳系统从轨道返回的返回舱进入大气层的条件计算 59
5.1 引言 59
5.2 动态辅助返回再入概述 59
5.3 大气层返回条件计算 60
5.3.1 返回舱的相对速度计算 60
5.3.2 返回舱的牵连速度计算 61
5.3.3 返回舱运动的初始条件计算 61
5.3.4 返回舱进入大气层的条件计算 61
5.3.5 问题求解示例 62
5.4 空间系绳系统辅助返回控制律设计 63
5.4.1 第一阶段静态展开控制律 63
5.4.2 第二阶段动态展开控制律 64
5.4.3 第一阶段约束条件和性能指标函数 64
5.4.4 第二阶段约束条件和性能指标函数 64
5.4.5 空间系绳展开和释放返回舱的过程 65
5.5 不同条件对返回任务的影响 66
5.5.1 圆轨道下再入条件的仿真分析 66
5.5.2 椭圆轨道下再入条件的仿真分析 71
5.6 小结 73
练习题 73
第6章 航天器升轨机动计算 75
6.1 引言 75
6.2 轨道机动概述 75
6.2.1 单航天器霍曼升轨机动 75
6.2.2 空间系绳升轨机动 76
6.3 轨道机动计算 78
6.3.1 用于进入更高椭圆轨道的机动计算 78
6.3.2 用于进入近似圆轨道的机动计算 79
6.3.3 问题求解示例 79
6.4 系统参数对升轨机动能力的影响 80
6.4.1 偏离角对小航天器轨道参数的影响 81
6.4.2 切断角扰动对小航天器轨道参数的影响 81
6.4.3 系绳长度对小航天器轨道参数的影响 83
6.5 小结 84
练习题 84
第7章 空间系绳系统的空间相对平衡位置计算 86
7.1 引言 86
7.2 空间系绳系统的空间相对静止条件 86
7.2.1 确定重力梯度力的分布载荷 87
7.2.2 确定气动力的分布载荷 87
7.2.3 确定惯性力的分布载荷 88
7.3 在近地赤道轨道上空间系绳系统平衡位置的计算 88
7.3.1 带载荷的空间系绳系统平衡位置 89
7.3.2 带载荷的空间系绳系统平衡位置计算示例 90
7.3.3 无载荷的空间系绳系统平衡位置计算示例 91
7.4 同步轨道上的系绳临界长度估算 93
7.5 小结 94
练习题 95
第8章 小航天器分离时控制系统的过渡过程分析 97
8.1 引言 97
8.2 运动初始条件计算 97
8.2.1 控制力形式 99
8.2.2 控制限制（约束） 99
8.3 控制系统过渡过程和运动特征 99
8.3.1 小航天器相对于地垂线的运动轨迹建立 99
8.3.2 控制系统过渡过程示例 100
8.4 小结 102
练习题 102
第9章 空间系绳系统展开的最优控制器经典综合方法 105
9.1 引言 105
9.2 基于贝尔曼动态规划的最优控制器设计 105
9.3 展开过程最优控制器设计 109
9.4 仿真示例 110
9.5 小结 112
练习题 112
第10章 空间系绳系统展开控制系统最优动态滤波器计算的经典方法 114
10.1 引言 114
10.2 卡尔曼滤波方法 114
10.2.1 算法逻辑 115
10.2.2 卡尔曼滤波的初值选取 116
10.3 空间系绳系统展开过程滤波器设计 117
10.3.1 滤波器设计 117
10.3.2 仿真示例 118
10.4 小结 119
练习题 120
第11章 空间系绳系统展开的统计学仿真 121
11.1 引言 121
11.2 数学问题的提出 121
11.3 生成随机量 121
11.4 统计学仿真及数据处理示例 124
11.5 小结 125
练习题 126
参考文献 128