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本书从对地观测敏捷小卫星的姿态控制理论出发，对高性能姿控部件、姿态确定算法、姿态控制算法以及地面仿真技术等方面进行深入的分析。全书共分为七章，第一章对当前国内外敏捷小卫星的发展情况进行了概述；第二章介绍了敏捷小卫星的姿态描述方法，并给出了面向控制需求的姿态动力学及运动学模型；第三章介绍了高性能的姿态测量部件，以及当前小卫星常用的姿态执行机构；第四章介绍了几种敏捷小卫星的在轨姿态确定算法，实现了卫星在轨的真实姿态测量和估计；第五章详细介绍了敏捷小卫星实现姿态快速机动及稳定控制的若干姿态控制算法；第六章针对以控

第1章 绪论1.1 敏捷型对地观测卫星发展现状1.1.1 敏感型卫星的成像模式1.1.2 典型的敏捷型卫星计划1.2 敏捷型对地观测卫星发展趋势参考文献第2章 卫星姿态动力学及运动学模型2.1 引言2.2 姿态描述2.2.1 方向余弦阵2.2.2 欧拉角2.2.3 四元数2.2.4 罗德里格斯参数2.3 参考坐标系定义2.4 刚性卫星姿态动力学与运动学2.5 挠性卫星姿态动力学2.6 空间环境力矩模型2.6.1 重力梯度力矩2.6.2 地磁力矩2.6.3 气动力矩2.6.4 太阳光压力矩参考文献第3章 卫星姿态测量部件及执行机构3.1 引言3.2 01/数字一体化太阳敏感器3.3 星敏感器3.4 磁力矩器3.5 反作用飞轮3.5.1 电流模式的模拟量数学模型3.5.2 采用数字电路后的数学模型3.6 控制力矩陀螺参考文献第4章 卫星姿态确定技术4.1 引言4.2 双矢量定姿4.3 角速度积分定姿4.4 星敏感器和陀螺联合滤波定姿4.4.1 滤波状态变量及状态方程4.4.2 陀螺漂移误差模型4.4.3 状态方程线性化4.5 基于扩展卡尔曼滤波算法的姿态确定4.5.1 系统方程的建立4.5.2 测量方程的建立4.5.3 滤波器设计参考文献第5章 卫星姿态控制技术5.1 引言5.2 PD+前馈补偿的控制方法5.3 基于递阶饱和的瞬时欧拉轴快速机动算法5.3.1 星体转动的误差角估计算法5.3.2 基于瞬时欧拉轴的机动控制器设计5.4 基于准滑模的快速机动控制5.4.1 SMC定义5.4.2 基于准滑模的快速机动控制设计5.4.3 SMC控制系统的稳定性分析5.5 基于LESO的准滑模快速机动控制5.5.1 算法设计5.5.2 稳定性分析5.5.3 仿真与分析5.6 基于终端滑模变结构的快速机动控制5.6.1 小型卫星姿态数学模型5.6.2 终端滑模控制方案设计5.6.3 仿真研究5.7 基于模型预测控制的卫星姿态控制5.7.1 面向状态预估的控制模型建立5.7.2 金字塔构型CMG群系统模型5.7.3 卫星姿态机动路径的三段式规划5.7.4 基于滚动时域优化的CMG群框架角速度跟踪律设计5.7.5 仿真与分析参考文献第6章 控制力矩陀螺操纵律设计6.1 引言6.2 SGCMG的基本原理6.3 SGCMG的奇异原理6.3.1 SGCMG的奇异的定义6.3.2 SGCMG的角动量奇异面6.3.3 SGCMG的奇异面分类6.4 几种典型的操纵律及分析6.4.1 奇异回避操纵律6.4.2 奇异逃离操纵律6.4.3 混合操纵律6.4.4 力矩输出能力很优原理6.5 基于力矩输出能力很优的操纵律设计6.5.1 很优框架角速度的求取6.5.2 操纵律设计6.5.3 框架锁定现象分析6.5.4 力矩输出误差分析6.6 仿真与分析6.6.1 恒定力矩仿真6.6.2 星体大角度机动仿真6.7 基于高斯伪谱法的SGCMG很优轨迹规划6.7.1 轨迹规划中的连续很优控制问题6.7.2 高斯伪谱法基本原理6.7.3 自适应高斯伪谱法基本原理6.7.4 轨迹优化与分析参考文献第7章 卫星姿态控制仿真技术7.1 引言7.2 全链路数学模型和STK显示成像系统设计与搭建7.2.1 数学仿真参数设计7.2.2 数学仿真系统框架设计7.2.3 全链路成像Simulink模型建立7.3 条带拼接成像姿态仿真与成像分析7.3.1 Simulink条带拼接成像仿真7.3.2 STK条带拼接成像仿真7.4 自适应微光凝视成像姿态仿真与成像分析7.4.1 Simulink自适应微光成像仿真7.4.2 STK自适应微光成像仿真7.5 钟摆式搜索成像姿态仿真与成像分析7.5.1 Simulink钟摆式搜索成像仿真7.5.2 STK钟摆式搜索成像仿真7.6 地面转台实验技术7.6.1 系统设计7.6.2 卫星全物理仿真系统功能及工作模式7.6.3 数学模型与全物理仿真实验参考文献

常琳，博士，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，现任空间新技术研究室助理研究员，从事卫星姿态控制领域的研究工作。参与国家自然科学基金重点项目一项，国家自然科学基金青年基金项目一项，发表核心期刊论文15篇。

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前言

高精度的对地观测分辨率可以获得更多的目标信息，已成为当前对地观测卫星发展的主流趋势。然而，高精度的对地观测分辨率常意味着相对较小的视场孔径角，而实现对敏感区域大范围的观测就应使卫星能够快速频繁地进行姿态机动，这就要求卫星平台具备敏捷的姿态机动能力。卫星的敏捷性主要体现在卫星姿态的快速机动能力及高精度的稳定能力两个方面，尤其在卫星对地观测多种工作模式理念提出之后，这种敏捷性需求更加迫切。为实现对敏感区域大范围拍照、一次过境多次拍照或不同目标区一次拍照，卫星需进行同轨条带拼接、立体或凝视成像等，在这些工作模式实现过程中必然伴随卫星姿态的前摆、后摆或侧摆运动，卫星在不同姿态之间快速切换，这样可以在一个轨道周期内采集到更多的科学数据，极大地增加整个小型卫星的功率密度。本书将从对地观测小型卫星的敏捷姿态控制理论出发，对高性能姿控部件、姿态确定算法、姿态控制算法以及地面仿真技术等方面进行深入的分析。全书共分为7章：第1章对当前国内外敏捷小型卫星的发展情况进行了概述，并总结了敏捷型小型卫星的未来发展趋势；第2章介绍了敏捷小型卫星的姿态描述方法，并给出了面向控制需求的姿态动力学及运动学模型；第3章介绍了高性能的姿态测量部件，以及当前小型卫星常用的姿态执行机构，包括磁力矩器、飞轮和控制力矩陀螺，并对其工作原理进行了阐述；第4章介绍了几种小型卫星在轨敏捷姿态确定算法，实现了卫星在轨的真实姿态测量和估计；第5章详细介绍了小型卫星实现敏捷姿态快速机动及稳定控制的若干姿态控制算法；第6章针对以控制力矩陀螺为姿态执行机构的小型卫星，阐述了几种当前主流的操纵律设计方法；第7章详细介绍了小型卫星的敏捷地面仿真技术，包括全链路数学仿真和实物仿真，并给出了多种成像模式下的姿态仿真结果。本书是在我们团队的共同努力下完成的，参与本书资料整理、章节编写、校对审核和技术支持的人员有常琳、范国伟、杨秀彬、王绍举，同时，要特别感谢孙志远、杜丽敏、王亚敏、周美丽、朴永杰、章家保、冯汝鹏、王家骐院士、金光、徐伟、曲宏松、刘春雨、张贵祥、李宗轩、徐明林、刘帅、徐婷婷、徐超等对本书写作的帮助。在本书的编写过程中，始终得到中国科学院长春光学精密机械与物理研究所学术委员会主任、中国科学院院士王家骐研究员的关注、指导和支持，并为此书作序，在此特向王家骐院士表示衷心的感谢。空军第二航空学院、北京理工大学、长春理工大学、清华大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、深圳航天科技创新研究院等兄弟院校航空航天领域的专业老师们提出了许多宝贵的意见和建议；国防工业出版社的领导和编辑予以直接指导与帮助，特别是国防工业出版社编辑肖姝为本书的出版做了许多艰苦细致的工作。借此书出版之际，谨对上述领导、专家和朋友们一并表示深深的感谢。小型卫星的敏捷姿态控制技术包含控制、电子、机械等多学科的系统工程，由于我们的水平所限，难免有错误和不妥之处，欢迎专家和读者批评指正。