西北工业大学

航天器控制原理

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课程概述

    控制是航天器的大脑和中枢。航天器控制包括轨道与姿态控制,是各类航天器,包括卫星、飞船、空间站、深空探测器等,完成定轨、定向观测、交会对接、再入返回等等航天任务的重要保障。

    通过本课程的学习,使同学们对航天器控制系统总体、原理、方法和发展方向有较为全面的认识。为大家了解、掌握航天控制的专业知识提供系统的学习平台,也为今后有意从事这一领域研究和工作的人员提供学习专业基础知识的机会。

    课程的学习内容包括:

    (1) 世界航天技术发展的概况

    (2) 航天器轨道动力学与轨道描述

    (3) 航天器姿态动力学与运动学

    (4) 航天器控制系统组成与分类

    (5) 被动姿态稳定系统

    (6) 主动姿态控制系统

    (7) 航天器导航与制导方法

    (8) 载人飞船、航天飞机、空间站等航天器控制技术。

    通过课程学习,使大家对航天器控制的建模、控制系统总体、原理方法和发展方向有较为全面的认识。


    本课程有配套实验教学环节,在挠性卫星姿态控制物理仿真实验系统上,开展演示教学实验。

    实验条件:现有挠性卫星姿态控制全物理仿真实验室。

                                    
                    图1 单轴气浮台物理仿真系统
    实验教学内容包括:

    (1) 航天器控制物理仿真实验的基本原理

    (2) 物理仿真系统的基本组成、功能和力学环境

    (3) 飞轮、推力器执行机构工作模式的实验验证

    (4) 挠性卫星稳定控制的物理仿真实验

    (5) 卫星大角度机动控制的物理仿真实验

    课程结合理论教学与实验教学,使同学们在学习与实践中掌握航天器控制的基本原理和基本方法。


授课目标
掌握航天器轨道动力学与姿态动力学基础,掌握航天器控制系统组成与控制部件工作原理,掌握航天器姿态控制与轨道控制原理与方法。
证书要求

平时成绩40%,考试50%,论坛讨论表现10%。采用百分制计分,60分及以上为合格,85分及以上为优秀。

预备知识

先修课程:高等数学,理论力学,自动控制原理

授课大纲

第一周 绪论

    第1讲 世界航天技术发展的概况

    第2讲 航天器的分类与系统组成

    第3讲 航天器控制的基本概念

    第4讲 轨道力学的基本定律

    第5讲 二体轨道力学和运动方程

第二周 航天器轨道与轨道力学

    第6讲 航天器轨道的几何特性

    第7讲 航天器的轨道描述

    第8讲 航天器的轨道摄动

    第9讲* 相对轨道动力学

第三周 航天器姿态运动学和动力学

    第10讲 航天器的姿态运动学

    第11讲 航天器的姿态动力学

    第12讲 姿态干扰力矩

第四周 航天器姿态控制系统的组成与分类

    第13讲 姿态敏感器(1)

    第14讲 姿态敏感器(2)

    第15讲 执行机构

    第16讲 控制器与姿态控制系统的分类

第五周 航天器的被动姿态稳定系统

    第17讲 自旋卫星的稳定性

    第18讲 自旋卫星的章动性和章动阻尼

    第19讲 自旋稳定卫星的姿态机动

    第20讲 重力梯度稳定系统

    第21讲 重力梯度稳定的伸展杆与其他被动姿态稳定系统

第六周 航天器主动姿态控制系统(1)

    第22讲 喷气姿态稳定系统的非线性控制律

    第23讲 航天器的喷气推力器系统

第七周 航天器主动姿态控制系统(2)

    第24讲 飞轮姿态稳定原理与反作用轮三轴姿态稳定系统

    第25讲 偏置动量轮与控制力矩陀螺三轴姿态稳定系统

    第26讲 航天器的姿态捕获

第八周 航天器姿态控制系统物理仿真实验

    第27讲 航天器物理仿真技术

    第28讲 物理仿真实验系统与工作原理

    第29讲 姿态控制物理仿真实验

第九周 航天器的导航与制导(1)

    第30讲 航天器导航的概念与分类

    第31讲 航天器的轨道机动与轨道保持

第十周 航天器的导航与制导(2)

    第32讲 航天器相对轨道控制

    第33讲 航天器的再入返回控制

    第34讲 星际飞行的导航与制导

第十一周 载人飞船与航天飞机控制技术

    第35讲 载人飞船控制技术

    第36讲 航天飞机控制技术

    第37讲 空间站控制技术

    第38讲 微小卫星控制技术

说明:教学安排以实际每周发布内容为准。


参考资料

[1] 周军 编,航天器控制原理,西安,西北工业大学出版社,2001

[2] 章仁为 编著,卫星轨道姿态动力学与控制,北京,北京航空航天大学出版社,1998

[3] 郗晓宁 王威 等编著,近地航天器轨道基础,长沙,国防科技大学出版社,2003

[4] 刘林 胡松杰 王歆 编著,航天动力学引论,南京,南京大学出版社,2006

[5] 屠善澄 主编,卫星姿态动力学与控制,北京,宇航出版社,1999

[6] 黄圳珪 赵志建 编著,大型航天器动力学与控制,长沙,国防科技大学出版社,1990

[7] Marcel J. Sidi, Spacecraft Dynamics and Control, Cambridge University Press. 2000

[8] Bong Wie, Space vehicle dynamics and control, AIAA Inc. 2008

[9] Peter Fortescue, Spacecraft system engineering, John Wiley and Sons Ltd, 2003

[10] Howard D. Curtis, Orbital mechanics for engineering students, Elsevier Ltd, 2010


常见问题

Q:每周会发布多少时间的视频?我需要花多少时间来学习?

A:我们按照每周4学时的授课内容来设计课程。但是发布的视频时间一般会小于4学时。因为在线下上课时,会有课堂提问、讨论和一些重复的讲解内容,而这些在线上课程中都不存在了,所以视频的时间不会与课时完全对应。

我们的课程每周大约需要三到五小时的学习时间。包括视频观看、单元测验、讨论和复习的时间。

Q:是否需要购买教材?

A:我们的课程主要是根据周军老师主编的《航天器控制原理》进行讲授的。如果有教材当然能帮助我们的学习,但是教材不是必须,只要能够通过我们网上发布的内容顺利完成学习任务,到达学习目的就可以。课程介绍页最后为大家提供了参考书,大家有机会可以选择阅读。

Q:对先修课程有什么要求?

A:我们的课程要求同学们已经学习过《高等数学》,《理论力学》和《自动控制原理》,如果有现代控制理论方面的知识会更好。当然,我们对部分用到的知识会适当进行解释,对于缺少部分先修课程知识的同学可以有针对性地补补课,争取跟上课程的学习。