商品簡介
序
中文版前言
在本書英文版于2003年出版面世的時候，當時世界上只有兩大太空集團，即俄羅斯和美國，能夠執行空間飛行器的交會和捕獲操作任務。兩大集團中，僅有俄羅斯能夠實現完全意義上的自動交會與對接任務。另外的兩大太空集團，歐洲空間局和日本，當時也為了國際空間站（ISS）交會和對接任務，著手研發各自的航天器。歐洲研發的這類航天器，歐洲空間局稱之為自動貨運飛船（ATV），日本將自己研發的這類航天器稱之為H-Ⅱ貨運飛船（HTV）。歐洲ATV已于2008年首次與國際空間站上的俄羅斯艙實現了自動交會和對接；日本的HTV也于2009年經過一段自動逼近過程后，被ISS上的機械臂捕獲，執行了停靠作業。
隨著執行交會任務的航天器的種類不斷增加，如美國的航天飛機、俄羅斯的禮炮號空間站和進步號貨運飛船、歐洲的ATV及日本的HTV等，交會、捕獲和對接已經成為不同太空集團間進行航天員運輸和后勤保障的工作界面。在執行交會任務過程中，至少兩個參與者的控制中心和航天器上的航天員都要投入到監測和控制對接航天器的逼近和對接操作過程中。
中國作為第三種太空勢力，有能力將自己的航天員獨立送上太空，并讓他們安全返回地面。其載人飛行始于神舟計劃，2003年實現了載人往返太空安全飛行。下一步的大動作是在太空實現載人航天器和不載人航天器的交會對接。更進一步的宏大計劃還包括建造有人照料的載人空間站計劃和載人登月探險計劃。要實現這些計劃，都需要具備空間交會對接技術。然而，對于中國而言，這些技術尚在研發過程中。
雖然許多空間集團都在致力于研發大型載人航天器，但是，歷史的經驗表明，空間開發任務，尤其是類似于大型永久性有人照料地球軌道空間站任務、未來有人照料月球基地任務以及載人火星探險任務等，由于費用昂貴，在很長時期內，都需要通過各個太空集團之間的國際合作才能實現。顯然，能使這種合作成為可能的關鍵操作界面就是空間交會、捕獲和對接技術。可以預期的是，在不久的將來，中國遲早會成為這種國際合作任務中的一員。
由于兩個航天器之間的對接操作實際上是一種控制它們碰撞的過程，加之，逼近到接觸的操作一定是發生在碰撞過程中，因而在安全上，所有的空間交會、捕獲和對接操作任務都是關鍵作業，這就要求所有涉及到的操作單元至少具有2個備份。在空間國際合作任務中，至少有兩個太空集團要參與交會操作任務中，因此，讓對方充分了解己方的逼近方案、了解己方控制交會對接操作的自動船載系統的設計特征和安全特征就顯得非常重要。從國際合作這個意義上講，空間交會和捕獲任務中的設計技術以及所涉及到的船載系統概念不應當有所謂的保密問題。
作者非常高興地看到，本書現在被翻譯成了簡體中文版，并與廣大的中國專業讀者見面。我也真誠希望通過閱讀本書，中國的空間技術人員和學生能夠基本理解空間復雜作業、船載系統和地面系統設施的概念、安全需求和安全特征，這些概念對于成功實現交會任務是必不可少的。
本書提到的許多概念和技術在歐洲自動貨運飛船與國際空間站的空間對接任務中已經實現。我要再一次感謝歐洲空間局在此任務期間給予我參加各種科研活動的機會，感謝他們允許本書引用一些研究成果。
我還要感謝本書譯者所付出的努力，他們將書中復雜的、晦澀的概念譯成中文。最后，我要特別感謝我的同事吳樹范博士，他作為制導、導航和控制方面的專家，就書中部分章節的概念的確切含義與作者進行了無數次的溝通，并花費了大量的時間和精力從技術角度對本書的中文譯文進行了仔細審校，使本書更便于中國讀者閱讀。
韋格伯特·費熱
2010年8月
目次
第1章緒論
1.1背景
1.2交會過程的復雜性
1.3目的和范圍
第2章交會任務的各個階段
2.1發射和入軌
2.1.1發射窗口
2.1.2軌道面和軌道參數的定義
2.1.3發射作業的適應度
2.1.4發射末段航天器的狀態
2.2調相并轉移到目標航天器軌道附近
2.2.1調相的目標和終了狀態
2.2.2修正時間偏差和軌道參數
2.2.3交會中參考坐標系
2.2.4前向/反向調相
2.2.5各個任務階段的不同調相策略
2.2.6初始瞄準點的定位
2.2.7進入門替代瞄準點方案
2.2.8開環機動的最終精度
2.3遠程交會作業
2.3.1遠程交會的目的和目標
2.3.2交會時的相對導航
2.3.3軌道因素和彈性時間因素
2.3.4與目標航天器的通信聯系
2.4近程交會操作
2.4.1接近
2.4.2最后逼近
2.5對接或停靠
2.5.1目標和終極條件
2.5.2關于捕獲問題的討論
2.6撤離
2.6.1撤離段的目標和終端條件
2.6.2撤離的限制和問題
第3章軌道動力學和軌道要素
3.1參考坐標系
3.1.1地心赤道坐標系Feq
3.1.2軌道平面坐標系Fop
3.1.3航天器本體軌道坐標系Flo
3.1.4航天器姿態坐標系Fa
3.1.5航天器幾何坐標系Fge
3.2軌道動力學
3.2.1圍繞某一中心體的軌道運動
3.2.2軌道修正
3.2.3在目標參考坐標系中的運動方程
3.3關于軌道類型的討論
3.3.1自由漂移運動
3.3.2脈沖機動
3.3.3連續推力機動
3.4關于運動方程的總結
第4章逼近安全和避撞
4.1軌道安全與軌跡偏離
4.1.1故障公差和軌道設計要求
4.1.2軌道安全的設計原則
4.1.3軌道偏差的成因
4.2軌道攝動
4.2.1殘留大氣的阻力
4.2.2地球勢能異常產生的攝動
4.2.3太陽壓力
4.2.4羽流在追蹤航天器和目標航天器之間的動態作用
4.3航天器系統產生的軌道偏差
4.3.1導航偏差引起的軌道偏差
4.3.2推進偏差引起的軌道偏差
4.3.3推進器故障導致的軌道偏差
4.4軌道偏差的防護措施
4.4.1主動軌道保護
4.4.2被動軌道保護
4.5避撞機動
第5章逼近策略的設計因素
5.1逼近策略的約束條件概述
5.2發射和調相的約束
5.2.1交點的漂移
5.2.2到達時間的調整
5.3幾何約束和設備約束
5.3.1目標捕獲接口的位置和方向
5.3.2交會敏感器的作用范圍
5.4同步監控的需要
5.4.1日光照明
5.4.2通信窗口
5.4.3航天員的活動
5.4.4調相和逼近中的時間—彈性因素
5.5船載資源和操作儲備
5.6由目標站確定的逼近原則
5.7逼近方案實例
5.7.1逼近方案：案例1
5.7.2逼近方案：案例2
5.7.3逼近方案：案例3
第6章航天器船載交會控制系統
6.1任務和功能
6.2制導、導航和控制
6.2.1導航濾波器
6.2.2制導功能
6.2.3控制功能
6.3模式排序和設備管理
6.4故障識別和修復概念
6.5與自動系統的遠程交互
6.5.1與GNC功能的交互
6.5.2對自動GNC系統的人工狀態更新
6.5.3人工在回路的自動GNC系統
第7章交會導航敏感器
7.1基本的測量需求和概念
7.1.1測量需求
7.1.2測量原理
7.2射頻敏感器
7.2.1距離和距離變化率的測量原理
7.2.2方向和相對姿態的測量原理
7.2.3測量環境和干擾
7.2.4對射頻敏感器應用的綜合評估
7.2.5實例：俄羅斯Kurs系統
7.3絕對衛星導航和相對衛星導航
7.3.1導航衛星系統簡介
7.3.2用戶部分的導航處理
7.3.3差分GPS和相對GPS的功能原理
7.3.4測量環境和干擾
7.3.5空間交會對接中衛星導航的總體評估
7.4光學交會敏感器
7.4.1激光掃描測距儀
7.4.2攝像交會敏感器
7.4.3測量環境和干擾
7.4.4對交會光學敏感器的總體評估
第8章結構對接系統
8.1對接和停靠的基本概念
8.1.1對接操作
8.1.2停靠操作
8.1.3對接和停靠的共同點和主要不同點
8.2對接和停靠裝置類型
8.2.1設計動因
8.2.2中心對接裝置和周邊對接裝置的比較
8.2.3對接裝置的異體同構設計
8.2.4非加壓的對接/停靠裝置
8.2.5對接和停靠裝置舉例
8.3接觸動力學/捕獲
8.3.1接觸時的動量轉換
8.3.2沖擊減振動力學
8.3.3動量轉換和沖擊減振舉例
8.3.4捕獲中沖擊減振裝置和對準裝置
8.3.5捕獲裝置
8.3.6GNC和對接系統的接口
8.4最終連接的組件
8.4.1結構鎖
8.4.2密封
第9章空間和地面的系統設置
9.1空間和地面段的功能和任務
9.1.1交會任務中的一般系統設置
9.1.2控制職責和控制級別
9.2地面段對RVD的監視和控制
9.2.1監管控制的概念
9.2.2地面操作員所用的支持工具的功能
9.2.3目標站航天員的監測和控制功能
9.3通信限制
9.3.1數據傳遞的可靠性
9.3.2數據傳輸限制
第10章驗證與確認
10.1驗證與確認的局限性
10.2開發過程中的RVD驗證/確認方法
10.2.1交會和對接的獨有特性
10.2.2開發周期中的驗證階段
10.3驗證的方法和工具
10.3.1任務定義和可行性分析階段
10.3.2設計階段
10.3.3開發階段
10.3.4操作方法和遠程操作員工具的驗證
10.3.5飛行產品生產階段
10.4飛船部件和軌道環境的數學建模
10.4.1用于RV控制系統測試的環境仿真的數學建模
10.4.2接觸動力學仿真的建模
10.5模型、工具和設備的確認
10.5.1GNC環境仿真模型的確認
10.5.2接觸動力學仿真模型的確認
10.5.3仿真項目和激勵設備的確認
10.6RVD的主要仿真器和設備
10.6.1基于數學建模的驗證設備
10.6.2光學敏感器激勵設備的實例
10.6.3對接的動態激勵設備
10.7RVD/B技術的在軌演示
10.7.1在軌演示的目的和局限
10.7.2關鍵特征和裝備的演示
10.7.3RV系統和操作的在軌演示
附錄A運動動力學（Finn Ankersen著）
A.1圓軌道的相對運動方程
A.1.1一般系統的微分方程
A.1.2近似解
A.1.3特殊解
A.1.4離散時間狀態空間系統
A.1.5移動橢圓公式
A.2姿態動力學和運動學
A.2.1方向余弦矩陣（DCM）
A.2.2非線性動力學
A.2.3非線性運動學
A.2.4線性運動學和動力學姿態模型
附錄B現有飛行器的交會策略
B.1航天飛機
B.2聯盟號（Soyuz）/進步號（Progress）
附錄CISS背景下的交會飛行器
C.1國際空間站
C.2俄羅斯和平號空間站
C.3航天飛機
C.4聯盟號飛船
C.5進步號飛船
C.6歐洲自動貨運飛船（ATV）
C.7H-Ⅱ型貨運飛船（HTV）
簡稱與縮略語
專業術語
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