航天器控制-课程教学大纲

发布者：王佳伟发布时间：2023-07-10浏览次数：13

航天器控制课程教学大纲

一、课程基本信息

课程编号：AS33113

课程名称：航天器控制

英文名称：Spacecraft Control

课程学时：32 讲课学时：32实验学时：0上机学时：0习题学时：0

课程学分：2学分

开课单位：航天学院控制科学与工程系

授课对象：自动化、探测制导与控制技术专业

开课学期：4秋

先修课程：高等数学；自动控制原理


二、课程目标

随着社会的进步、经济和科技的不断发展，人类已经将活动范围扩展到外太空，并且加快了迈向整个宇宙的步伐，进而推动了航天事业的迅猛发展。作为航天工程的重要组成部分，航天器姿态及轨道的控制系统是航天器完成特定的空间探测、开发以及应用任务的有效保障。

航天器控制课程是航天学院自动化类专业学生的专业选修课，是学习后续不同空间飞行器的控制系统设计的基础，旨在培养学生掌握航天器姿态及轨道的运动特性及基本组成，为解决实际航天工程控制问题奠定必要的基础。本课程将充分利用多媒体现代教学与演示技术，注重培养学生对航天器控制问题的研究兴趣。


课程目标对学生的能力要求如下：

课程目标1. 了解世界航天技术发展、航天器的主要分类；掌握航天器不同姿态描述的姿态运动学及动力学和运动学方程；具备设计和分析采用不同执行机构航天器姿态控制系统的能力；掌握航天器基本轨道动力学方程，掌握航天器自主导航和轨道机动与轨道保持的基本方法。

课程目标2. 通过独立查阅文献资料，熟悉航天器控制领域的最新研究进展，掌握某一专业技术内容的归纳总结能力。


三、课程目标与毕业要求指标点对应关系

毕业要求

毕业要求指标点

课程目标

 1. 工程知识

 3. 设计/开发解决方案

4.研究

4-2 能通过动力学建模、稳定性分析等理论推导方式实现对航天器姿态控制系统的设计和分析，并对方案进行性能评价。

课程目标1

5. 使用现代工具

5-3 能熟练运用科技文献检索工具，了解航天器自动控制领域理论与技术的最新进展。

课程目标2


四、课程目标与课程内容对应关系

序号

教学内容

教学要求

学时

教学

方式

对应

课程目标

1

航天器控制基本概念

  1. 了解世界航天技术发展历史，航天器的主要分类，发展前景；

  2. 掌握航天器主要分系统组成及功能，特别是姿轨控分系统；

  3. 熟悉航天器控制的基本概念，如坐标系、时间系统、二体问题等；

2

授课

课程目标1

课程目标1

2

航天器的轨道动力学

  1. 熟练掌握航天器轨道动力学基本定律；

  2. 了解典型的航天器轨道；

  3. 掌握二体轨道力学和运动方程；

  4. 掌握航天器轨道描述；

  5. 熟悉航天器轨道的主要摄动项，如大气阻力摄动，太阳光压摄动，日月引力摄动等；

4

授课

课程目标1


3

航天器的姿态动力学

  1. 熟练掌握航天器姿态动力学基本定律；

  2. 掌握几种常用的航天器姿态表示方式及物理概念，如方向余弦矩阵，欧拉角，四元数等；

  3. 掌握航天器不同姿态描述的姿态运动学方程；

  4. 熟悉航天器姿态干扰力矩，如重力梯度力矩，气动力矩，太阳辐射力矩，地磁力矩等。

4

授课

课程目标1

4

航天器控制系统结构

  1. 熟悉航天器姿态控制和轨道控制的任务和分类；

  2. 掌握典型姿态敏感器的工作原理，如星敏感器，陀螺，太阳角计，红外地平仪等；

  3. 掌握航天器轨道确定的几种方式，如通过无线电导航，天文导航，GPS导航和惯性导航等；

  4. 熟悉常用的姿态确定及轨道确定算法；

  5. 掌握典型轨道及姿态执行机构工作原理，包括推力器，飞轮系统，磁力矩器等；

6

授课

课程目标1

课程目标2

5

航天器姿态被动稳定系统

  1. 熟悉刚体自旋和双自旋航天器的姿态动力学

  2. 了解刚体自旋和双自旋航天器的稳定性和章动性；

  3. 熟悉重力梯度稳定航天器姿态动力学与运动稳定性；

  4. 了解应用空间环境力矩的姿态控制技术；

4

授课

课程目标1

6

航天器姿态主动稳定系统

  1. 掌握三轴稳定航天器的喷气控制基本原理及使用方法；

  2. 熟练掌握三轴稳定航天器的飞轮控制基本原理及分类；

  3. 掌握三轴稳定航天器的姿态捕获和姿态机动的基本概念；

  4. 熟悉挠性航天器姿态动力学与控制技术；

6

授课

课程目标1

7

航天器导航原理

  1. 熟悉航天器自主导航系统概念；

  2. 了解当前主流的导航系统组成；

  3. 掌握卫星导航技术的基本原理，关键技术

2

授课

课程目标1


8

航天器轨道控制

  1. 了解航天器轨道设计的基本步骤；

  2. 掌握航天器轨道机动与轨道保持的基本方法；

  3. 熟悉航天器交会对接与再入返回控制；

4

授课

课程目标1

课程目标2


五、课程教学方法

1. 课堂授课

 1.1 采用启发式教学，通过提问和互动激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力。

 1.2 采用电子教案、网络视频、电子书籍、学术论文等多种资料相结合，多媒体教学与传统的板书相结合的方式，提高课堂教学信息量，增强教学的直观性。

 1.3 采用案例教学方式，理论教学与工程实践相结合，引导学生应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，采用现代设计方法和手段，进行控制系统分析、综合与仿真，培养自动化类专业解决航天器控制相关工程问题的思维方法和实践能力。

 1.4 采用互动式教学，除传统课堂讨论和答疑外，充分利用哈工大现有的网络教学平台，针对共性问题进行作业的收取、问题的提问和回复。


六、课程考核方法

课程考核以检验课程目标的达成度为手段，进而评价学生学习成果的达成度。考核的环节包括课后平时作业及期末考试，总成绩以百分计，满分100分，各考核环节所占分值比例及考核细则如下表。

考核环节

所占分值

考核与评价细则

对应课程目标

平时和作业

20

（1）考核学生们平时上课的表现，对提问的回答等；

（2）作业交2次，主要针对课堂讲授重要知识点的强化理解，单独评分；

（3）以上两项最后合计，给出成绩。

课程目标1


研究报告

20

（1）考核学生查阅相关文献资料，对某一航天器控制最新研究热点问题的归纳总结能力；

（2）上交研究报告；

由老师根据所提交报告给出成绩；

课程目标2


期末考试

60

（1）卷面成绩60分；

（2）考试命题以大纲中的应知应会内容为主，题型有填空、简答和计算等，并保证逐年有所变化。

课程目标1


七、主要教材与参考书

  1. 屠善澄. 卫星姿态动力学与控制. 宇航出版社. 1999

  2. 周军. 航天器控制原理. 西北工业大学出版社. 2001





大纲撰写人：                                     大纲审核人：