本书首先介绍了人造地球卫星的轨道及运动规律，在深入分析二体问题的基础上，通过详细的理论推导，建立了卫星运行的摄动运动方程，并研究了摄动运动方程的一阶分析解;然后，系统探讨了卫星运动理论的应用，对满足各种任务要求的卫星轨道和发射段弹道设计提出了解决方案，并介绍了卫星组网常用构型和编队飞行问题;*后，分别介绍了冲量假设和有限推力情况下，为完成特定任务，卫星轨道所发生的有意改变。
本书适用于航天工程专业技术方向教学科研及工程实践，可作为飞行力学、总体设计和飞行控制等专业高年级本科及硕士教材，也可作为航空航天总体及设计、航天发射场测试发射等领域工程技术人员的参考用书。
目 录
前 言
第1章 绪论 1
1.1 人造地球卫星的分类 2
1.1.1 基于用途的分类 2
1.1.2 基于功能的分类 2
1.2 卫星在军事航天中的发展 6
1.2.1 发展历程 6
1.2.2 发展现状 7
1.2.3 发展趋势 9
1.3 世界主要卫星系统简介 10
1.3.1 导航系统 11
1.3.2 卫星互联网 13
1.4 常用人造地球卫星轨道 16
1.4.1 按卫星运行轨道的偏心率分类 16
1.4.2 按卫星运行的高度分类 16
1.4.3 按卫星运行轨道的倾角分类 17
1.4.4 特殊类型轨道 17
1.5 卫星轨道理论及其应用概述 19
第2章 天球坐标系和时间系统 22
2.1 天球 22
2.2 球面三角初步 22
2.2.1 球面的基本性质 22
2.2.2 球面三角形 24
2.2.3 球面坐标和直角坐标 24
2.2.4 球面三角形公式 26
2.3 天球上基本的点和圆 31
2.3.1 天顶和天底 31
2.3.2 真地平圈 31
2.3.3 天极和天赤道 31
2.3.4 天子午圈、四方点和天卯酉圈 31
2.3.5 黄道和黄极 32
2.4 地心天球坐标系 32
2.4.1 地平坐标系 32
2.4.2 时角坐标系 33
2.4.3 赤道坐标系 34
2.4.4 黄道坐标系 34
2.5 地心天球坐标系之间的关系 35
2.5.1 地平坐标系和时角坐标系之间的转换 35
2.5.2 赤道坐标系和时角坐标系之间的转换 37
2.5.3 黄道坐标系和赤道坐标系之间的转换 37
2.6 时间系统 38
2.6.1 世界时系统 39
2.6.2 历书时系统 46
2.6.3 原子时 47
2.6.4 力学时 47
2.6.5 贝塞尔年和儒略年 48
第3章 岁差、章动和极移 50
3.1 日月和行星的引力对地球运动的影响 50
3.1.1 太阳的引力对地球运动的影响 50
3.1.2 月球的引力对地球运动的影响 51
3.2 岁差 53
3.2.1 日月岁差 53
3.2.2 行星岁差 53
3.2.3 总岁差 53 3.3 章动 54
3.4 极移及区别 55
3.4.1 极移 55
3.4.2 极移与岁差、章动的区别 55
3.5 岁差、章动对恒星时的影响 56
3.5.1 格林尼治平恒星时和真恒星时 56
3.5.2 黄道平太阳的黄经 57
3.5.3 赤道平太阳的赤经 57
3.6 协议天球坐标系 58
3.6.1 协议天球坐标系与瞬时平天球坐标系的转换 59
3.6.2 瞬时平天球坐标系与瞬时真天球坐标系的转换 59
3.7 协议地球坐标系 60
3.7.1 协议地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换 60
3.7.2 瞬时天球坐标系与瞬时地球坐标系的转换 61
第4章 卫星的无摄运动 63
4.1 二体问题的运动微分方程 63
4.2 运动微分方程的解 64
4.2.1 面积积分（动量矩积分） 64
4.2.2 轨道积分——椭圆轨道参数 66
4.2.3 平均角速度公式和速度公式（活力公式） 70
4.2.4 开普勒积分——轨道时间参数 71
4.2.5 开普勒轨道根数 74
4.3 二体问题卫星星历的计算 76
4.3.1 三种近点角的关系 76
4.3.2 三种近点角和向径的导数关系 77
4.3.3 开普勒方程的解 79
4.3.4 卫星位置和速度的计算公式 79
4.4 初始轨道的计算 82
4.4.1 已知 和 的轨道计算 82
4.4.2 已知 和 的轨道计算 84
4.4.3 由 、 计算 、 91
4.5 卫星在轨道上的运动 93
4.5.1 顺行轨道和逆行轨道 93
4.5.2 卫星的可见区域 93
4.5.3 卫星的地面高度和轨道高度 94
4.5.4 卫星在轨道上的运行速度 94
4.5.5 卫星在轨道上的安全性 95
第5章 卫星常用的摄动运动方程 97
5.1 人造地球卫星的摄动运动 97
5.1.1 直角坐标系下的摄动运动 97
5.1.2 位函数和摄动函数 98
5.2 高斯型摄动运动方程 100
5.2.1 高斯型摄动Ⅰ 100
5.2.2 高斯型摄动Ⅱ 111
5.3 拉格朗日型摄动运动方程 115
5.3.1 与 、 和 之间的关系 115
5.3.2 卫星运动中一些量与轨道根数的偏导数 117
5.3.3 的具体形式 120
5.3.4 摄动运动方程 121
5.4 关于人造地球卫星受力的讨论 123
5.4.1 地球非球形摄动 123
5.4.2 大气阻力摄动及大气特征 126
5.4.3 太阳辐射压力摄动 126
5.4.4 日、月引力摄动及拉格朗日点 128
5.4.5 潮汐摄动力 129
5.4.6 空间环境对轨道寿命的影响 130
第6章 地球形状摄动的分析解 131
6.1 人卫单位 131
6.2 地球重力场和摄动函数 132
6.2.1 地球重力场表达式 132
6.2.2 球谐函数及其正常化 133
6.2.3 地球重力场摄动函数表达式和摄动力估计 135
6.3 地球重力场摄动函数的分解 138
6.3.1 常用函数的平均值 139
6.3.2 R的分解 145
6.4 摄动运动的级数解法 148
6.4.1 初始根数法 148
6.4.2 平根数法 150
6.5 平根数法的一阶解 155
6.5.1 一阶长期项和根数 M的零阶长期项 156
6.5.2 一阶短周期项 158
6.5.3 二阶长期项 166
6.5.4 一阶长周期项 168
6.5.5 平根数法的解算步骤和奇点问题 177
第7章 人造地球卫星轨道设计 179
7.1 星下点轨迹 179
7.1.1 曲面上的曲线和地图投影 180
7.1.2 无旋地球上的星下点轨迹 200
7.1.3 旋转地球上的星下点轨迹 207
7.2 卫星轨道设计的任务要求 210
7.2.1 地面覆盖问题及地面目标分辨率 210
7.2.2 重复观测问题 219
7.2.3 星下点太阳照明问题 224
7.2.4 卫星的受晒问题 230
7.3 几种典型的卫星轨道设计 240
7.3.1 回归轨道 240
7.3.2 太阳同步轨道 243
7.3.3 冻结轨道 244
7.3.4 低轨快速进入空间轨道 246
7.4 卫星星座 248
7.4.1 星座设计的原则 249
7.4.2 卫星环 250
7.4.3 星座的基本构型 253
7.5 卫星编队飞行 255
7.5.1 坐标系定义 256
7.5.2 相对运动动力学方程 256
7.5.3 几种典型编队构型 258
7.5.4 编队卫星轨道设计流程 260
7.5.5 编队设计实例 262
第8章 人造地球卫星的发射 263
8.1 运载火箭的发射段弹道 263
8.1.1 发射段弹道的要求 263
8.1.2 发射段弹道的特点 264
8.1.3 理想情况下的最佳发射段弹道 265
8.1.4 单共切与双共切轨道的讨论 270
8.1.5 发射段弹道的几种形式 272
8.2 非共面发射 273
8.2.1 发射时刻、降交点地方时和发射窗口 274
8.2.2 发射点纬度、发射方位角和轨道倾角的关系 275
8.3 运载火箭发射弹道的优化设计 276
8.3.1 发射弹道的工程设计方法 277
8.3.2 大气层外的火箭运动方程 285
8.3.3 大气层外的最优俯仰程序 287
8.4 运载火箭的飞行性能估算 291
8.4.1 假设和原始数据 291
8.4.2 真空段运动方程及其求解 294
8.4.3 第二级火箭性能估算举例 296
8.5 入轨点运动状态参数偏差与卫星轨道根数偏差的关系 298
8.5.1 轨道根数与入轨点运动状态参数的关系 298
8.5.2 误差系数矩阵 300
8.5.3 近地点高度和远地点高度对入轨点 r、V、Θ偏差的敏感性分析 307
第9章 轨道机动的冲量方法 310
9.1 轨道调整 311
9.1.1 轨道周期调整及推进剂消耗 312
9.1.2 轨道长半轴 a和偏心率 e的调整 315
9.1.3 Ω和 i的调整 320
9.2 轨道改变 321
9.2.1 共面轨道改变 321
9.2.2 改变轨道面的变轨 325
9.2.3 非共面轨道改变的一般情况 328
9.2.4 共面椭圆轨道的单次冲量最优轨道改变 330
9.3 轨道转移 335
9.3.1 共面圆轨道的最优转移轨道 335
9.3.2 惠特克定理与连线速度一致性 344
9.3.3 共面椭圆轨道的最优转移轨道一 347
9.3.4 共面椭圆轨道的最优转移轨道二 350
9.3.5 非共面圆轨道的最优转移轨道 356
9.4 轨道拦截 359
9.4.1 最小能量拦截轨道 360
9.4.2 固定时间拦截轨道 364
9.4.3 椭圆轨道兰伯特飞行时间定理 372
9.4.4 广义拦截问题 381
第10章 轨道机动的制导方法 385
10.1 正弦制导方法与 Q制导方法 385
10.1.1 正弦制导方法 386
10.1.2 Q制导方法 386
10.2 速度增益制导方法 389
10.3 交会制导方法 392
10.3.1 末制导系统 392
10.3.2 坐标系与运动方程 393
10.3.3 运动方程的自由解 396
10.4 末制导方法 398
10.4.1 法向制导 398
10.4.2 纵向制导 400
参考文献 402
