航天器定轨理论与应用

本书为国家出版基金项目。本书作者为国家科技院院士，业内权威专家。本书为卫星通信、导航应用的技术专著，技术含量高，学术和科技价值高。适合作为航天测控领域相关人员的参考用书 

航天器定轨工作并不是一个简单的算法演绎和资料拟合的过程，必须在特定而恰当的力模型下，以轨道力学原理作为其理论依据，采用严格而实用的数学方法，才能获得真正符合力学背景并满足一定要求的运行轨道，以及与其相关的各类参数（包括航天器和空间力学环境所具有的参数）的呈现。
本书内容安排：第1～2章，介绍航天器定轨问题涉及的时空参考系和采用的数学模型，明确定轨问题的确切含义；第3章，介绍航天器定轨中采用的测量技术和数据处理方法；第4章，阐述航天器的初轨确定原理和方法；第5～7章，介绍精密定轨涉及的轨道力学基础；第8～10章，介绍精密定轨的具体方法及相应的计算流程。

刘林，南京大学天文系教授、博导，1959年7月南京大学数学天文系天文专业毕业后留校任教至今，一直从事天体力学和航天动力学的教学与研究工作。 于1978年获全国科学大会重大成果奖，并被评为“科学技术工作中作出重大贡献的先进工作者”，1988年、1997年和2009年三次获国家*和*科技进步二等奖， 2006年获中国天文学会张钰哲奖等。

第1章 航天器运动的定轨和预报问题 1
1.1 定轨和预报中时空参考系的选择 1
1.2 地球坐标系统 10
1.3 月球坐标系统 22
1.4 火星坐标系统 29
1.5 定轨问题和预报问题的提法 34
参考文献 38
第2章 航天器定轨理论基础 39
2.1 航天器运动的数学模型 39
2.2 二体问题及其分析解 42
2.3 受摄二体问题的小参数幂级数解 50
2.4 限制性（n+1）体问题的处理方法 58
参考文献 58
第3章 轨道测量技术与误差处理 59
3.1 地面无线电测量技术 59
3.2 光学测量技术 64
3.3 激光测距技术 65
3.4 天基测量技术 66
3.5 航天器观测量的归算 72
3.6 传播媒介误差的修正 80
3.7 其他测量误差的修正 87
参考文献 91
第4章 初轨确定 93
4.1 初轨确定问题的简单回顾 93
4.2 短弧初轨确定的基本原理 94
4.3 环绕型航天器运动的时间幂级数解 98
4.4 几类常规测量资料的初轨确定算法 100
4.5 非环绕型航天器的初轨确定方法 106
4.6 天基网初轨确定问题 112
参考文献 114
第5章 精密定轨的一般理论 116
5.1 精密定轨的数学原理 117
5.2 定轨求解涉及的数学方法 120
5.3 估值理论及常用的几种**估计方法 121
5.4 估值算法——批处理算法与序贯处理算法 126
5.5 待估参数与考察参数 130
参考文献 130
第6章 运动微分方程中的右函数及其偏导数 132
6.1 中心天体引力加速度 133
6.2 第三体引力加速度 133
6.3 天体非球形引力加速度 134
6.4 天体潮汐形变效应 142
6.5 太阳辐射压 145
6.6 大气阻力加速度 150
6.7 后牛顿效应 155
6.8 姿轨控推力加速度 157
参考文献 159
第7章 受摄二体问题模型中状态微分方程的分析解 161
7.1 摄动分析解的构造 164
7.2 中心天体非球形引力摄动的分析解 166
7.3 坐标系附加摄动部分 179
7.4 第三体引力摄动部分 180
7.5 中心天体潮汐形变摄动部分 185
7.6 非引力摄动部分 187
7.7 后牛顿效应摄动部分 195
参考文献 197
第8章 精密定轨中基本方程的建立 198
8.1 观测量理论计算值的归算 198
8.2 定轨矩阵 的构成 202
8.3 测量矩阵的表达形式 204
8.4 状态转移矩阵的两种构成形式 210
参考文献 219
第9章 各类航天器的精密定轨及其相关问题 220
9.1 定轨中数学模型与坐标系的选择 220
9.2 外力源的模型化 223
9.3 定轨方程的求解 227
9.4 定轨过程中的野值剔除与加权问题的处理 233
9.5 轨道精度评估 234
9.6 天、地基网的联合定轨问题 236
9.7 航天器的自主定轨问题 239
参考文献 244
第10章 协方差分析及相关问题 245
10.1 协方差分析的提出 245
10.2 观测噪声和先验状态方程误差对批处理的影响 247
10.3 考察协方差矩阵及其计算公式 248
10.4 敏感矩阵和扰动矩阵 250
10.5 误差椭圆 251
参考文献 256

附 录 257
附录A 天文常数 257
附录B 常微分方程数值解的常用方法 259
附录C 航天器定轨的算例 276
附录D 主要天体的星体坐标系 281
附录E 一些常用数据的引用网址 286

总 序

本套著作将系统地总结天文与航天领域关于航天器轨道力学的理论、关键技术创新和工程应用等方面的研究成果，并以此作为凝聚人才、打造尖端科研人才和开展航天科技自主创新研究的重要知识平台。
全套著作包含航天工程事业发展中需要的轨道力学所涉及的各个方面，包括精确的天文参考系，各类航天器的轨道运行理论、计算方法，工程应用中的轨道设计、测量、跟踪与控制，以及科学应用等。核心部分是轨道力学理论与计算方法，其理论体系完备，方法实用，与工程实践联系紧密，著作中的主要理论与方法在我国多项航天任务中已得到了成功的应用。撰写组成员包括从事与航天工程有密切联系的教学和理论研究专家、多年来活跃在航天工程**线的技术专家，既保证了这套著作的严密理论体系，又能满足我国航天事业发展的实际需求，为我国当前和未来的重大航天工程实施提供理论和技术支撑。
本套著作除总结了作者自20世纪50年代末以来多年的研究成果外，还涵盖了作者在南京大学、上海天文台、相关高校和航天工程等单位讲课所撰写的10多本教材的相关内容，全套著作共有以下四个分册：
（1）参考坐标系及航天应用
（2）卫星轨道理论与应用
（3）深空探测轨道理论与应用
（4）航天器定轨理论与应用
这是一套体系严密，同时具有基础性和实用性，符合我国航天工程实践的专著。
考虑到四个分册编写内容之间的联系和差别，以及便于读者阅读，在四个分册中对某些问题进行了必要的重复阐述，同一内容也会有不同的表述等，但仍保持了全套丛书体系的完整性。
刘林
2014年12月