航天器轨道动力学与控制(上)
空间飞行器动力学与控制第3课空间飞行器轨道动力学上
火箭在主动段飞行时，通常攻角都很小，所飞
越的地心角也很小，若略去不计，即得：
dv P D g sin
dt m m
（3-5）
其中火箭的推力 P 为
P mve ( pe pa )Se
代入式（3-5）得到
dv
ve
dm mdt
dt
1 m
Se (
pe
pa
)dt
D m
dt
g
s in dt
（3-6）
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
积分上式，得到主动段终点的速度为：
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
把作用在火箭上所有的力，
投影到速度方向（
X
轴）上，
1
推力： 重力：
阻力：
升力：
得到运动方程为： dv 1 (P cos D) g sin( )
dt m
（3-4）
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
dv 1 (P cos D) g sin( )
图3.3 CD与马赫数 Ma 和攻角 的关系
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
图3.4
C
与马赫数
L
Ma和攻角
的关系
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
“俯仰力矩”的产生
火箭发动机工作时，推进剂在不断消耗，所以火 箭质心位置随时在变。
同时，气动阻力和升力也随飞行速度和大气条件 而变化，所以压心也随之变化。
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
第三种方案：与第二方案基本相同，只是要求自由飞行 段要绕地球半圈，即自由飞行段起点和终点正好在地心 的连线上。
哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第1课-绪论
“礼炮1号”空间站
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1981年4月，世界上第一 架垂直起飞、水平着陆、可 重复使用的美国航天飞机 “哥伦比亚号”试飞成功， 标志着航天运载器由一次性 使用的运载火箭转向重复使 用的航天运载器的新阶段， 标志着人类在空间时代又上 了一层楼，进入了航天飞机 时代。
美国“哥伦比亚号”航天飞机
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
人类自20世纪60年 代开始探测火星的尝试。 大约半数火星探测任务 成功。 2008年05月25日 ， 美国“凤凰”号火星探 测器成功降落在火星北 极区域，其核心任务是 寻找水和生命痕迹。 2008年11月，凤凰 号与地面控制中心失去 联络。
“凤凰”号挖掘臂挖掘火星土壤的情景
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1988年11月15日，前苏联的暴风雪号航天飞机从 拜科努尔航天中心首次发射升空，47分钟后进入距 地面 250公里的圆形轨道。它绕地球飞行两圈，在 太空遨游三小时后，按预定计划于 9时25分安全返 航，准确降落在离发射点12公里外的混凝土跑道上， 完成了一次无人驾驶的试验飞行。
“水手2号”探测器
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1966年1月，前苏联两艘载人飞船第一次在轨道上成功 交会对接，并实现了两位航天员从一艘飞船向另一艘飞船 的转移。
前苏联“联盟号”载人飞船
前苏联“上升号”载人飞船
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1971年4月19日，前苏联“礼炮1号”空间站入 轨成功，其质量约18t，总长14m，轨道高度200～ 250 km，轨道倾角51.6º ，成为人类第一个空间站。
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
13～14世纪，中国的火箭技术与其他火药兵器一 同传到阿拉伯国家和印度，后又传入欧洲。至18世 纪后期，印度军队在抗击英国和法国军队的多次战 争中就曾大量使用火药火箭并取得了成功结果，由 此推动了欧洲火箭技术的发展。 曾在印度作战的英国人康格里夫(William Congreve)在19世纪初对印度火箭作了改进，他确定 了黑火药的多种配方，改善了制造方法并使火箭系 列化，最大射程可达3km。这些初期火箭的原理都 成为了近代火箭技术的最初基础。
哈工大航天学院课程空间飞行器动力学与控制空间飞行器轨道控制上课件
利用航天器的特殊构型或附加质量等特性，通过改变航天器的重心 位置或转动惯量等方式，实现轨道控制。
组合控制方法
将主动控制和被动控制相结合，利用各自的优势，实现更高效、精确 的轨道控制。
轨道控制应用实例
卫星轨道转移
将卫星从一个圆轨道转移到一个椭圆轨道，或从一个椭圆轨道转 移到另一个椭圆轨道，实现卫星的变轨任务。
哈工大航天学院 课 程空间飞行器动力 学与控制空间飞行 器轨道控制上课件
contents
目录
• 课程简介 • 空间飞行器动力学基础 • 空间飞行器控制基础 • 轨道控制技术 • 课程实践环节
01
课程简介
课程目标
掌握空间飞行器动力 学与控制的基本原理 和关键技术。
培养学生在空间飞行 器设计、开发和运行 方面的实践能力和创 新思维。
实验内容与要求
实验内容
学生需要掌握卫星轨道测量、控制的 基本原理和方法，通过实际操作，掌 握卫星轨道控制技术。
实验要求
学生需要独立完成实验，并撰写实验 报告，同时需要掌握实验过程中的安 全操作规范。
实验报告撰写规范
实验目的
学生需要清晰阐述实验的目的和意义。
实验过程
学生需要详细记录实验过程，包括实验步骤、数据记录等。
描述了作用在空间飞行器上的控制力矩，是实现空间飞行器姿态 控制的重要手段。
03
空间飞行器控制基础
控制基本概念
控制系统
由控制器、受控对象和传感器等组成的整体，以分为开环控制和闭 环控制。
控制品质
评价控制系统性能的指标，包括稳定性、快速性和准 确性。
动量定理
描述了物体动量的变化与 作用力的关系，是理解动 力学行为的重要基础。
航天器动力学与控制技术的研究与应用
航天器动力学与控制技术的研究与应用航天器动力学与控制技术是航空航天领域中非常重要的一个分支，它可以使航天器准确控制动作、稳定运行和预测运动轨迹，为实现精确的轨道控制和导航提供了坚实的技术基础。
本文将从三个方面进行探讨，分别是航天器动力学建模、动力学控制及航天器姿态控制。
一、航天器动力学建模航天器的动力学行为是指航天器在运动过程中所表现出来的各种物理现象。
在进行航天器动力学研究之前，需要先对其进行合理的建模。
航天器可以看作是一个复杂的非线性系统。
因此，在对其进行建模时需要考虑多个因素，如姿态、方向、速度等。
航天器的建模与设计需要主要考虑地球重力以及其它外部干扰等因素。
通过对这些因素进行综合考虑，可以建立起一套完整的航天器动力学模型以及控制方案。
二、动力学控制动力学控制是指利用控制理论为航天器制定控制算法的一门技术。
动力学控制的主要任务是为航天器动态行为中的各种问题提供合适的控制策略。
动力学控制的技术手段主要包括PID控制、模型预测控制、自适应控制等。
其中，PID控制是一种广泛应用于动力学控制中的算法。
它通过比较实际状态和目标状态的偏差，调整控制量，使得航天器动态行为保持稳定。
自适应控制相比PID控制具有更好的自适应性能，可以适应不同的环境变化。
模型预测控制则采用了复杂的动力学模型来进行控制，使得航天器的控制策略更加准确和可靠。
三、航天器姿态控制航天器姿态控制是指对其方向、角度、陀螺仪等信息的实时监测和调整。
航天器姿态控制通常包括三个部分：姿态检测、姿态算法和姿态控制。
其中，姿态检测是指监测航天器当前的方向、角度、陀螺仪数据等信息。
姿态算法是根据航天器的姿态信息，计算出航天器当前的姿态角度。
姿态控制是根据计算出来的姿态角度，通过控制器进行反馈调节，以保证航天器的姿态保持稳定。
航天器姿态控制是航天器动力学和控制技术的重要组成部分，它对保证航天器的安全、稳定运行和准确控制具有至关重要的作用。
结语：航天器动力学与控制技术的研究与应用，不仅是航天器设计中必须掌握的技术，也是保证航天器精确轨迹控制和姿态控制的关键技术之一。
航天器轨道动力学与控制上-马佳
监测数据
●高度 卫星必须在地平线以上 ●天光 光学测量设备或人眼观测时，天空必须足够黑 ●地影 不发光的卫星还需太阳光直接照射
07
地月飞行和星际飞行
地月关系
地月系的三个运动：
●地球自转 ●地球和月球围绕公共质心 的运动 ●月球的自转
月球公转参数：
●椭圆轨道，偏心率0.0549 ●轨道面与地球赤道的夹角 18.2°—28.8° ●黄白道夹角5°9′
加权最小
广义卡尔 曼滤波
二乘法
观测数据集中处理的“批量计 算方法”。
按时间顺序对每个观测数据进 行解算的“序贯计算法”。
卫星的观测预报
概况预报
利用已有的资料，通过解算卫星运动方程，确定卫星可见段的 起止时间和最大高度。
准确预报
确定确定卫星每一时刻的高度角、方位角和卫星到激光测距仪 的距离，以便可以快速、准确的跟踪卫星。
轨道摄动
04
轨道转移
轨道转移概述
轨道转移是指航天飞行棋 在其控制系统作用下，由 沿初始轨道（或停泊轨道）
运动改变为沿目标轨道运
动的一种轨道机动。 转移轨道又称过渡轨道， 是航天器从初始轨道或停
泊轨道过渡到工作轨道的
中间轨道。
共面圆轨道发轨道转移
双脉冲变轨可以使新的轨道完 全脱离原有的轨道。 在两个共面圆轨道之间的最佳 变轨方式为霍曼变轨，其转移
卫星星食
卫星进入地球阴影的现象叫做卫星 食，在卫星食发生时，卫星上的光 电池不能供电，整形温度下降，以 太阳光为信号的敏感器失去作用。 对于静止轨道而言，卫星的星食发 生在春秋分前后各23天的午夜，每 次发生星食的时间不定，最长 72min。
返回轨道概述
返回轨道设计要求
地势平坦，交通便捷 远离城市，通信顺畅 远离高压重要设施 选择已有回收区 利用已有测控网络
航天器轨道动力学与控制(上)
轨道周期
入轨点位置
考虑
因素
轨道倾角
发射时间
近地点位置
近地轨道的主要摄动
摄动类型 地球形状 大气阻力 调姿喷气 太阳光压 日月摄动 潮汐摄动 地球磁场
摄动
摄动
摄动
摄动
摄动和轨
控喷气摄
动
量级
近地轨道
寿命
一阶小量 二阶小量 二阶小量 三阶小量 三阶小量 三阶小量 三阶小量
近地轨道的应用实例
神舟号飞船
2012年4月30日4时50分
长征三号乙
第十二、十三颗北斗导航系统组网卫星
2012年9月19日3时10分
长征三号乙
2012年10月25日23时33分
长征三号丙
第十六颗北斗导航卫星 [6]
2015年3月30日21时52分
长征三号丙
第十七颗北斗导航卫星 [7]
2015年7月25日20时29分
长征三号乙
第十八、十九颗北斗导航卫星
术发展，无线电测量技术逐渐成熟，应用雷达不但可以测量角度，还可以测量距离，使轨道计
算更加准确和方便。
2
太阳系、坐标系和时间系统
近地空间环境
近地空间环境
地球大气
大
大
大
大
气
气
气
气
密
温
压
成
度
度
力
分
地球磁场
地面上100km到10个地球半径的距离
太阳电磁
地球电离
空间粒子
辐射
层
辐射
磁
太
暴
阳
辐
射
压
力
坐标系
研究航天飞行器的运动要用到多种坐标系，我们将介绍航天运用到的多种坐标系
航空航天工程师的航天器轨道动力学
航空航天工程师的航天器轨道动力学航天航空工程师的航天器轨道动力学航天工程是现代科技领域中最为前沿和挑战性的领域之一，而航天器轨道动力学则是航天工程师在设计和操作航天器时不可或缺的重要知识。
本文将深入探讨航天器轨道动力学的相关概念、原理和应用，旨在帮助读者更好地理解和把握这一领域的关键技术。
1. 引言航天器轨道动力学是研究和分析航天器在空间中运动规律的学科，包括航天器轨道的形状、大小、方向以及航天器受到的各种力的影响等内容。
它的重要性不仅在于帮助我们预测和计算航天器的运动状态，还在于为航天器的设计、发射、定位和导航等提供了关键的信息和依据。
2. 轨道基本概念2.1 地心坐标系和轨道坐标系航天器轨道动力学的分析通常采用地心坐标系和轨道坐标系。
地心坐标系是以地球中心为坐标原点，定义了地球的赤道和子午线，并且通常使用直角坐标系。
而轨道坐标系则是基于航天器所在的具体轨道形状和特征定义的，用于描述航天器在轨道上运动的情况。
2.2 轨道要素航天器轨道通常由一组轨道要素来描述，这些要素包括轨道半长轴、轨道离心率、轨道倾角、升交点赤经和升交点赤纬等。
这些轨道要素能够准确描述和确定航天器在轨道上的位置和运动状态。
3. 动力学基本原理3.1 开普勒定律开普勒定律是航天器轨道动力学的基础，它由德国天文学家开普勒提出。
第一定律表明行星运动轨道为椭圆，其焦点为恒星；第二定律说明行星与恒星相连线在相等时间内扫过相等面积；第三定律则描述了行星轨道的周期与半长轴长度的关系。
3.2 牛顿运动定律牛顿运动定律也在航天器轨道动力学中起着重要作用。
根据牛顿第一定律，航天器在没有外力作用下将保持匀速直线运动状态；根据牛顿第二定律，航天器在受到外力作用时将产生加速度，改变其运动状态；根据牛顿第三定律，航天器对外施加一个力，就会受到一个等大反向的力。
4. 轨道力学4.1 引力和离心力航天器在轨道上所受到的两个主要力是引力和离心力。
引力是地球吸引航天器的力，决定了航天器绕地球旋转的运动状态；离心力则是由于航天器在轨道上运行时速度产生的冲击力，使航天器具有离心的趋势。
哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第6课-空间飞行器轨道控制上
推力时间确定。
燃料消耗量为
V
m m01 e
Vi
（6.9）
空间飞行器动力学与控制 第六课_空间飞行器轨道控制
二、轨道转移
航天器为了从初始轨道转移到终止轨道而进行 的可控制运动称为轨道转移机动或简称轨道转移。
本节讨论共面圆轨道之间的转移。在两冲量的 情况下，霍曼（Hohman）转移为最佳转移；然而在 三冲量的情况下，可找到更省能量的双椭圆转移轨 道，但双椭圆转移更省能量是有条件的（终止轨道 与初始轨道的半径比大于11.939）。
2rA rA rB
rB 12rA rA rB Nhomakorabea
（6.14）
空间飞行器动力学与控制 第六课_空间飞行器轨道控制
三、轨道保持
克服摄动影响，使航天器轨道的某些参数保持不 变的控制,称为轨道保持。
空间飞行器动力学与控制 第六课_空间飞行器轨道控制
近地圆轨道的保持
空间飞行器动力学与控制 第六课_空间飞行器轨道控制
第六课_空间飞行器轨道控制
一、轨道控制的一般概念 二、轨道转移 三、轨道保持
空间飞行器动力学与控制 第六课_空间飞行器轨道控制
一、轨道控制的一般概念
人造航天器同自然天体一样，其运动总是遵守 力学定律的，但航天器还可通过主动控制改变其运 动规律。
根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标， 利用发动机推力或环境力（如空气动力、太阳光压 力）对航天器的质心施以控制力，主动地改变其飞 行轨迹称为轨道控制。
e Vi
m0 ——卫星控制前总质量；
Vi ——发动机平均喷射速度； F ——平均推力。
（6.7）
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常见卫星观测设备误差
多普勒测速仪
单脉冲雷达
干涉仪测角系统
目视光学望远镜和 光学摄像机
卫星观测预报
1. 卫星必须在地平线上 2. 天空就必须足够黑 3.对于不发光的卫星用光学设备 观测还需要太阳光能直射它。
3 工作映射
开普勒激光测速仪
MSE-FLD60型高速激光测距传感器在不使用 反射板的情况下，高速测量自然物体目标可 达30米。而使用合适的反射板，测量范围可 以达到250米。 MSE-FLD60是一款高速激光测距传感器,可以 高速触发实时测量，它的测量速率可达 30kHz。在250米的测量范围内可以达到厘米 级的精度。它所使用的激光是波长为905nm 的对人眼安全的红外激光。
脉冲雷达
干涉仪测角系统
PI-3D激光测量系统是市场上最先进的激光干 涉仪系统。它可以以前所未有的精度和分辨 率，可以用在产品研发实验室， 精确的机床补偿可以从根本上提升产品质量 。使用我们的系统，用户可以快捷精确地完 成补偿。基本套装可以测量位移，振动，速 度以及定位精度。3D系统为机床的垂直及水 平直线度测量提供了独特的测量功能，使直 线度测量变得简便省时。
航天轨道动力学与控制能干嘛？
航天器轨道动力学可构筑各种实用轨道 变轨控制和轨道机动 航天器轨道控制可 轨道保持 交会与对接 再入和着陆控制
2 课本知识
近地空间环境
地球大气
地球磁场
太阳电磁辐射
日心坐标系
地心坐标系
地面坐标系
轨道摄动
摄动指一个天体绕另一个天体按二 体问题的规律运动时，因受其它天体的 吸引或其他因素的影响，在轨道上产生 的偏差，这些作用与中心体的引力相比 是很小的，因此称为摄动。 天体在摄动作用下，其坐标、速度 或轨道要素都产生变化，这种变化成分 称为摄动项。
开普勒激光测速仪
脉冲雷达
Raymetrics微脉冲激光雷达是一 种通 过遥感测量大气气溶胶和微小颗粒物的激光 雷达设备。高空间和时间分辨率使得激光雷 达成为测量气象和大气参数的理想设备。纵 向采用低能量高脉冲重复率的 激光源的方法 ，可降低脉冲能量，对人眼安全。同时采用 高重复率，弥补能量降低对检测范围的影响 。微脉冲激光雷达是后向散射激光雷达的一 种。 根据用户的需求，可提供野外长期监测 IP56防护等级，用于野外长期监测。也可提 供扫描型的激光雷达，用户可对监测区域进 行二维、三维的自动扫描，测定整个天空半 球的剖面曲线。
霍曼转移
霍曼转移轨道：是一种变换航 天器轨道的方法，途中只需两次发动 机点火推进，相对地节省燃料。此种 轨道操纵名称来自德国物理学家瓦尔 特·霍曼。
非共面转移
非共面转移，初始轨道与目标轨道不在同一平面内的 轨道转移。
轨道确定
数据获取和预处理
初轨确定
轨道改进
轨道改进
用于轨道计算的数据量是 很大的，利用数据可精细化初 始轨道计算得出的结果，使轨 道参数与世界测量更加相符， 这种方法称为轨道改进。
航天器轨道动力学与控制
Aerospace Orbit Dynamics and Control
汇报人：薛梦轩
目录
1 概述 2课本内容
3 工作映射
1 概述
石氏星表
开普勒三大定律
万有引力方程
什么是航天轨道动力学与控制？
航天器轨道动力学主要是研究航天器在
重力场 其他外力 作用下的质点动力学问题。
航天器轨道控制是研究对航天器的质心主动施加外力，使之按需要改变运动轨 道的理论和技术。
干涉仪测角系统
目视光学望远镜
光学摄像机
谢谢 诚请指导！
轨道摄动
通过精密的观测和准确掌握 天体的运动规律，就可以根据摄动 理论的分析。摄动理论不仅有丰富 的理论内容，也有较高的实用价。
轨道转移
轨道转移时指航天器在其控制系统作用下，由沿初始轨 道运动改变为沿目标轨迹运动的一种轨道机动。轨道转移可 分为共面转移和非共勉转移。
共面转移
共面转移，初始轨道与目标 轨道在同一平面内的轨道转移。