本书系统阐述了分布式空间系统的起源与发展历程，深入分析了其关键技术与理论方法。书中依次介绍了系统的数学建模基础、编队构型设计原理及影响因素，探讨了基于动态规划、博弈论和机器学习的轨迹规划策略，详细讲解了通信网络架构、自主决策方法与评估、任务分配优化策略、导航定位技术以及多种先进控制方法，并结合实际应用案例，总结当前典型任务，展望未来发展趋势，为航天领域专业人士及空间技术爱好者提供系统且深入的参考。
前 言
在过去几十年中，随着航天技术的迅猛发展，分布式空间系统逐渐成为现代空间探索与应用的核心领域之一。从地球观测、通信到深空探测，分布式空间系统以其灵活性、可扩展性和高效率展现了巨大的潜力和价值。然而，这一领域的快速发展也带来了许多新的挑战和机遇，亟须一本全面且深入的技术导论来帮助科研人员、工程师以及学生理解和掌握相关知识，本书旨在填补这一空白。
本书通过系统地介绍分布式空间系统的起源与发展、关键技术及其应用案例，希望为读者提供一个坚实的知识框架，帮助他们更好地理解并参与到此项研究领域中。
本书的主要特点：①全面覆盖。从基础理论到前沿应用，涵盖了分布式空间系统的所有关键方面，包括数学建模、编队构型设计、轨迹规划、通信、自主决策、任务分配、导航、控制及协同操作等。②结构清晰。各章节内容层次分明，逻辑严谨，既适合初学者逐步学习，也能为专业人士提供深入的技术参考。③实例丰富。书中不仅有详尽的理论分析，还结合了大量实际案例和应用场景，使抽象的概念更加具体化，便于读者理解和应用。④前瞻视角。除了当前的技术现状，本书还探讨了分布式空间系统在未来可能的发展方向和潜在的应用前景，激发读者对未来技术发展的思考和探索。
全书由郑子轩负责统稿，同时负责编写第 6 章和第 7 章，王英杰负责编写第 5 章和第 9 章，李晨负责编写第 10 章和第 11 章，张军华负责编写第 1~4 章和第 8 章。在本书成稿过程中，朱广通完成了大量的资料准备、书稿校对和绘图工作，在此表示衷心感谢。
无论你是从事航天工程的专业人士，还是对空间探索充满热情的学生或爱好者，本书都将为你打开一扇通向未来的窗口，带你领略分布式空间系统的无限魅力。愿你在这段探索之旅中有所收获！
作者
2025 年 10 月
Ⅲ
目录
第 1 章 绪论
1.1 分布式空间系统的起源与发展
1.1.1 分布式系统
1.1.2 分布式空间系统的起源
1.1.3 分布式空间系统的发展
1.1.4 分布式空间系统的当前趋势与未来展望
1.2 分布式空间系统的定义和特点
1.2.1 独立性和自主性
1.2.2 多样性
1.2.3 协同工作
1.2.4 数量优势和灵活的空间部署
1.2.5 异构系统
1.2.6 冗余和可靠性
1.2.7 扩展性和可重构性
1.3 分布式空间系统的构成与分类
1.3.1 关键组成部分
1.3.2 分布式空间系统的分类
参考文献
第 2 章 数学基础与分布式空间系统建模
2.1 坐标变换与位姿描述
2.1.1 坐标系
2.1.2 坐标变换
2.1.3 常见坐标系的坐标转换矩阵
2.1.4 位姿描述
2.2 分布式空间系统相对运动动力学
2.2.1 轨道位置矢量描述
2.2.2 动力学模型
2.2.3 量纲归一化的动力学方程
2.3 分布式空间系统相对运动运动学
2.3.1 相对轨道根数
2.3.2 分布式空间系统中主从航天器的相对位置关系
2.3.3 相对运动运动学方程
参考文献
第 3 章 分布式空间系统编队构型设计方法
3.1 编队构型的五要素描述方法
3.1.1 编队构型的五要素
3.1.2 五要素的物理含义
3.1.3 要素 对编队构型的影响
3.2 基于运动学方法的编队构型设计
3.2.1 半长轴
3.2.2 偏心率
3.2.3 轨道倾角
3.2.4 近地点幅角
3.2.5 平近点角
3.3 主要摄动因素对编队构型的影响
3.3.1 地球形状摄动
3.3.2 大气阻力摄动
3.3.3 日月第三体引力摄动
3.3.4 太阳光压摄动
3.4 几类典型的编队构型
3.4.1 跟飞编队构型
3.4.2 车轮（cartwheel）编队构型
3.4.3 干涉钟摆（interferometric pendulum）编队构型
3.4.4 空间圆编队构型
3.4.5 星下点圆编队构型
参考文献
第 4 章 分布式空间系统轨迹规划
4.1 面向任务的编队构型优化设计
4.1.1 面向任务编队构型设计基本方法
4.1.2 性能计算模型与全局优化方法
4.2 分布式空间系统动态规划
4.2.1 动态规划方法
4.2.2 分布式空间系统的动态规划应用
4.2.3 基于动态规划方法的路径规划
4.3 博弈论
4.3.1 博弈论的基本概念和分类
4.3.2 微分博弈问题与纳什均衡
4.3.3 基于博弈论的分布式空间系统任务分配
4.4 基于学习的智能方法
4.4.1 常见的人工智能方法
4.4.2 多智能体强化学习
4.4.3 基于深度强化学习的分布式空间系统的轨迹规划
参考文献
第 5 章 分布式空间通信系统
5.1 分布式典型场景
5.2 分布式通信概念
5.3 中心式网络
5.4 分散式网络
参考文献
第 6 章 分布式空间系统的自主决策
6.1 自主决策基本概念与架构
6.1.1 分布式空间系统自主决策的发展历程
6.1.2 自主决策的定义与特征
6.1.3 空间系统自主决策架构
6.1.4 决策时序与流程
6.2 分布式空间系统状态评估与情境感知
6.2.1 系统状态评估方法
6.2.2 环境威胁评估
6.2.3 任务场景理解与推理
6.3 决策算法与方法
6.3.1 基于规则的决策方法
6.3.2 启发式搜索决策
6.3.3 强化学习决策方法
6.3.4 多智能体协同决策
6.4 自主决策系统验证与评估
6.4.1 决策正确性验证
6.4.2 性能评估指标
6.4.3 不确定性量化分析
第 7 章 分布式空间系统任务分配
7.1 分布式空间系统任务分配的发展与基本概念
7.1.1 任务分配问题的发展历程
7.1.2 分布式空间系统任务分配的特点与挑战
7.1.3 任务分配的基本数学模型
7.2 分布式空间系统典型任务分配方法
7.2.1 基于市场机制的任务分配
7.2.2 基于启发式算法的任务分配
7.2.3 基于共识的分布式任务分配
7.2.4 考虑不确定性的鲁棒任务分配
7.3 多约束条件下的任务分配优化
7.3.1 时间窗口约束下的任务分配
7.3.2 资源受限下的任务分配
7.3.3 通信约束下的任务分配
7.3.4 任务优先级与依赖关系处理
第 8 章 分布式空间系统导航
8.1 射频导航
8.1.1 射频导航的定义和分类
8.1.2 射频导航的发展历程
8.1.3 射频导航的技术创新
8.1.4 射频导航的未来趋势
8.2 GPS 导航
8.2.1 GPS 导航的含义和发展
8.2.2 GPS 系统的组成
8.2.3 GPS 导航的定位原理
8.2.4 基于 GPS 系统的分布式空间系统导航
8.3 光学导航
8.3.1 光学导航的含义与发展
8.3.2 光学导航的组成
8.3.3 航天器光学导航
8.3.4 分布式空间系统的光学导航
8.4 视觉导航
8.4.1 视觉导航的含义和发展
8.4.2 视觉导航的组成
8.4.3 基于单目视觉的相对导航算法
8.4.4 基于分布式空间系统的视觉导航
参考文献
第 9 章 分布式空间系统控制
9.1 编队构型建立与控制
9.1.1 笛卡儿坐标系
9.1.2 相对动力学
9.1.3 圆形参考轨道相对动力学
9.1.4 椭圆参考轨道相对动力学 Lawden 方程
9.1.5 椭圆参考轨道相对动力学 高斯变分方程
9.1.6 Hill 坐标系与 Frenet 坐标系直接的坐标转换
9.2 脉冲控制
9.3 连续控制
9.4 摄动对控制系统的影响
9.4.1 地球非球形摄动
9.4.2 大气阻力摄动
9.4.3 三体引力摄动
9.4.4 太阳光压射动
9.5 最优控制
9.5.1 系统稳定性分析
9.5.2 系统能控性分析
9.5.3 构型保持 LQR 控制器设计
9.6 模型预测控制
9.7 智能控制
参考文献
第 10 章 分布式空间系统协同操作
10.1 协同操作背景介绍
10.2 协同操作建模
10.2.1 空间机器人建模
10.2.2 接触力建模
10.3 协同操作轨迹规划
10.3.1 轨迹优化的直接法
10.3.2 接触系统优化问题构造与求解
10.3.3 仿真案例
10.3.4 小结
10.4 非抓握操作跟踪控制
10.4.1 引言
10.4.2 问题描述
10.4.3 分层控制策略
10.4.4 仿真示例
10.4.5 小结
第 11 章 分布式空间系统案例
11.1 现有任务总览
11.2 通信领域代表性任务
11.2.1 Iridium
11.2.2 OneWeb
11.2.3 Starlink
11.3 观测领域代表性任务
11.3.1 Planet Labs
11.3.2 TerraSAR-X/TanDEM-X
11.3.3 CYGNSS
11.4 导航定位代表性任务
11.4.1 北斗系统
11.4.2 GPS
11.5 科学研究领域代表性任务
11.5.1 QB50
11.5.2 GRACE-FO
11.6 在轨服务代表性任务
11.6.1 ELSA-d
11.7 分布式空间系统的未来
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