1.3 本书的主要内容

本书主要是针对深空探测这一大背景,围绕制导这一核心问题展开。本书开篇首先对制导控制技术的理论基础进行了简单的回顾;之后以深空探测转移接近捕获、月球下降着陆、火星进入过程以及地球返回再入过程为代表,详细介绍在这四个阶段中所使用的具体的制导控制技术和方法;接下来对制导控制技术的地面试验方法进行概述;最后对未来深空制导控制技术的发展趋势进行归纳和总结。具体章节安排如下。

第2章介绍深空探测制导控制技术的动力学基础,描述主要的坐标系统、时间系统,之后在天体引力模型的基础上给出深空探测器的轨道动力学模型。

第3章简单介绍最优控制理论。利用化学能推进系统的深空探测器,在使用自身发动机完成轨道控制过程以及下降、上升过程时,必须考虑推进剂消耗最优或时间最短,以尽量减少工程设计的难度和延长探测器的任务周期。最优控制理论是很多制导方法推导的基础。

第4章是星际转移和捕获中的制导和控制技术。对于转移过程,介绍了转移过程的B平面制导基础,给出了脉冲推力和连续推力轨道修正方法,以及发动机推力的在轨标定方法。对于捕获过程,介绍了大推力的制动捕获方法,利用目标天体大气摩擦的气动捕获方法,以及自主实施捕获轨道控制策略规划的方法。

第5章是月球软着陆的制导和控制技术。在这一章,遵照月球软着陆制导控制技术发展的历程,将着陆制导按照不含燃料约束的制导方法、燃料最优的制导方法以及定点着陆任务的制导方法这三个层次展开。分别对应月球着陆探测的早期状态、当前水平以及未来的发展方向。

第6章是火星进入过程的制导和控制技术。本章主要根据火星大气进入阶段的任务特点,针对制导设计所面临的难点问题,详细地描述了两类制导方法的设计过程,分别为基于标称轨迹设计的解析预测校正制导方法和基于阻力剖面跟踪的鲁棒制导方法。

第7章是高速返回地球再入过程的制导和控制技术。本章分析了高速返回再入任务的特点和轨迹特性,概述了标准轨道再入制导方法和预测校正再入制导方法在针对高速返回任务时的设计难点,同时针对难点问题逐个给出了可行的设计方法和应用实例。

第8章介绍的是深空探测制导控制技术的地面试验情况。深空探测所涉及的制导控制技术在地面验证的最大困难就是动力学环境不一样,为此需要在地面搭建大型试验设施甚至直接进行飞行验证。在具体内容上,本章将以月球着陆和地球返回为例介绍地面试验的开展情况。

第9章是对深空探测航天器制导控制技术发展的展望。在这一章中对深空探测制导控制技术的发展历程进行了简单的回顾,在分析未来深空探测任务需要的基础上,结合相关理论技术的进展,提出深空探测制导控制技术四个发展趋势。