前言

探索浩瀚宇宙，发展航天事业

本书主要介绍远程火箭、地球轨道航天器、高超声速飞行器和深空探测器四种典型航天飞行器的制导与控制技术，注重理论和应用的统一，综合权衡了理论深度、专业抽象性和应用直观性等问题，融合了作者近几年在教研实践中对远程火箭、航天器、深空探测器等飞行器的制导控制技术的理解和部分研究成果。

本书共 10 章，分为五部分。第一部分为第 1 章，主要介绍远程火箭、地球轨道航天器、高超声速飞行器和深空探测器等飞行器的发展现状以及航天飞行器的制导控制技术概述；第二部分包括第 2 章、第 3 章和第 4 章，主要介绍远程火箭运动模型、远程火箭制导和远程火箭姿态控制；第三部分由第 5 章至第 8 章组成，其中第 5 章和第 6 章重点阐述航天器轨道动力学与航天器轨道机动控制等内容，第 7 章和第 8 章分别介绍航天器姿态运动方程、姿态控制；第四部分为第 9 章，主要介绍高超声速飞行器制导与控制；第五部分为第 10 章，主要介绍深空探测器轨道控制。

本书由任元、王建华、王卫杰和王丽芬编写，任元编写第 1 章以及第 7 章和第 8 章，王建华编写第 2 章至第 4 章和第 9 章，王卫杰编写第 5 章和第 6 章，王丽芬编写第 10 章，全书由任元统稿。尹增恩、于春森、李磊三位博士完成了本书大部分的编辑与校核工作。本书在编写时参考了欧阳自远、余梦伦、吴宏鑫、叶培建、包为民、房建成、于登云、贾沛然、周军、解永春、秦开宇、荆武兴、张洪波等飞行器制导控制领域专家的相关著作。特别感谢北京航空航天大学的房建成院士和航天科技集团公司的于登云院士在新型磁悬浮惯性姿态控制研究和本书编著中所给予的鼓励、支持和帮助！同时，本书在编写过程中，北京航空航天大学的王新龙、胡庆雷和宁晓琳教授，北京控制工程研究所的解永春、雷拥军和樊亚洪研究员等专家学者也给予了作者大量的指导和帮助。在此，致以衷心的感谢。

本书可作为探测制导与控制技术、航空航天工程等专业的本科生教材，也可作为控制科学与工程、航空宇航科学与技术等学科的研究生教材，还可作为相关专业工程技术人员的参考书，书中某些章节可根据不同专业和方向的教学要求有所侧重和取舍。本书的编写工作得到了武器装备探索、国防预研项目、国家自然科学基金和航天工程大学 ;双重 建设项目的支持。本书在编撰时特别注重理论与应用相结合，以增强工程实用性，并力求做到概念清晰、叙述准确、结论正确。然而在编写过程中，疏漏之处仍是难免，敬请专家、读者随时提出宝贵意见。

编者

2025 年 12 月于北京

本书以远程火箭、地球轨道航天器、高超声速飞行器和深空探测器等四种典型航天飞行器为主要研究对象，对不同飞行器的制导与控制原理进行了系统介绍，主要涉及远程火箭制导与姿态控制、航天器轨道与姿态控制、高超声速飞行器和深空探测器制导与控制等方面。全书共十章，主要包括绪论、远程火箭运动模型、远程火箭制导、远程火箭姿态控制、航天器轨道动力学、航天器轨道机动控制、航天器姿态运动方程、航天器姿态控制、高超声速飞行器制导与控制，以及深空探测器轨道控制等内容。

本书适用于探测制导与控制技术、航空航天工程等专业的本科生教材，也可作为控制科学与工程、航空宇航科学与技术等学科的研究生教材，还可以作为相关专业工程技术人员的参考书。

目录

第 1 章 绪论

1.1 航天飞行器发展现状

1.1.1 远程火箭

1.1.2 地球轨道航天器

1.1.3 高超声速飞行器

1.1.4 深空探测器

1.2 航天飞行器制导控制技术概述

1.2.1 远程火箭制导控制技术

1.2.2 航天器制导控制技术

1.2.3 高超声速飞行器制导控制技术

1.2.4 深空探测器制导控制技术

1.3 本书内容安排

思考题

第 2 章 远程火箭运动模型

2.1 坐标系与坐标转换

2.1.1 坐标系统

2.1.2 坐标转换矩阵

2.1.3 坐标转换矩阵的应用

2.2 火箭受力分析

2.2.1 地球引力

2.2.2 空气动力与空气动力矩

2.2.3 发动机推力

2.2.4 控制力与控制力矩

2.3 火箭运动方程

2.3.1 地面发射惯性系内运动方程

2.3.2 地面发射坐标系内运动方程

思考题

第 3 章 远程火箭制导

3.1 远程火箭摄动制导

3.1.1 基础理论

3.1.2 落点偏差控制与射程控制

3.1.3 法向导引与横向导引

3.2 远程火箭显式制导

3.2.1 基础理论

3.2.2 闭路导引

3.2.3 关机控制与诸元确定

思考题

第 4 章 远程火箭姿态控制

4.1 箭体动态特性

4.1.1 箭体稳定性

4.1.2 扰动方程

4.1.3 箭体纵向动态特性分析

4.2 远程火箭姿态控制

4.2.1 姿态控制系统概述

4.2.2 刚性箭体姿态经典控制

4.2.3 刚性箭体姿态最优控制

思考题

第 5 章 航天器轨道动力学

5.1 二体轨道动力学

5.1.1 二体运动问题

5.1.2 经典轨道六要素

5.1.3 二体轨道的特性

5.2 摄动分析方法

5.2.1 摄动方程的构建

5.2.2 数值积分法

5.2.3 一般解析法

5.3 近地轨道主要摄动力

5.3.1 地球非球形引力摄动

5.3.2 大气阻力摄动

5.3.3 三体引力摄动

5.3.4 太阳光压摄动

思考题

第 6 章 航天器轨道机动控制

6.1 脉冲推力轨道机动控制

6.1.1 单脉冲轨道机动

6.1.2 双脉冲轨道机动

6.1.3 三脉冲轨道机动

6.2 有限推力轨道机动

6.2.1 引力损耗问题

6.2.2 速度增益制导

6.2.3 最优迭代制导

6.3 相对轨道控制

6.3.1 动力学方程的建立及线性化

6.3.2 两脉冲交会问题

6.3.3 航天器的编队飞行

思考题

第 7 章 航天器姿态运动方程

7.1 航天器姿态描述

7.1.1 常用姿态参考坐标系

7.1.2 姿态描述方法

7.1.3 欧拉姿态运动学方程

7.1.4 四元数姿态运动学方程

7.2 航天器的姿态动力学

7.2.1 角动量定理

7.2.2 姿态动力学方程

7.3 航天器的一般运动方程

7.3.1 六自由度运动方程

7.3.2 姿态运动方程的线性化

思考题

第 8 章 航天器姿态控制

8.1 航天器姿态控制系统的组成

8.1.1 姿态敏感器

8.1.2 执行机构

8.1.3 控制敏感一体化机构

8.2 航天器主动姿态稳定控制系统

8.2.1 零动量反作用轮三轴姿态稳定系统

8.2.2 偏置动量轮三轴姿态稳定系统

8.2.3 控制力矩陀螺三轴姿态稳定系统

8.3 基于 MSCSG 的航天器姿态主动控制

8.3.1 MSCSG 群动力学建模

8.3.2 MSCSG 群操纵律设计

思考题

第 9 章 高超声速飞行器制导与控制

9.1 高超声速飞行器制导

9.1.1 数学表征与设计流程

9.1.2 滑翔段制导

9.1.3 俯冲段制导

9.2 高超声速飞行器姿态控制

9.2.1 姿态控制的任务与设计思路

9.2.2 姿态控制模型

9.2.3 姿态控制方法

思考题

第 10 章 深空探测器轨道控制

10.1 限制性三体问题

10.1.1 限制性三体运动方程

10.1.2 平动点

10.1.3 雅可比常数

10.1.4 影响球

10.2 月球探测器轨道控制

10.2.1 共切椭圆探月轨道

10.2.2 圆锥曲线拼接法

10.2.3 多圆锥曲线拼接法

10.2.4 探月飞行器制导控制

10.3 行星际探测器轨道控制

10.3.1 交会窗口

10.3.2 行星际出发

10.3.3 行星际交会

10.3.4 火星探测器制导控制技术

10.4 平动点与流形轨道

10.4.1 平动点附近运动的稳定性

10.4.2 共线平动点附近的周期轨道

10.4.3 三角平动点附近的周期轨道

10.4.4 不变流形与流形拼接

10.4.5 平动点制导控制技术

思考题

参考文献