引用常数变易的原理,以摄动加速度 的三个分量S,T,W形式来建立摄动运动方程也是一条途径,但不是直接引用原二体问题解的式(3.4)和式(3.5),而是引用前面第2章给出的六个独立积分,即
这六个独立积分可用来导出六个积分常数(轨道根数)变化的微分方程,即摄动运动方程。
为了推导的需要,将位置矢量 和速度矢量 在空间极坐标系和直角坐标系中的有关表达形式列出,即
其中 分别为径向、横向和轨道面法向单位矢量,而 则分别为直角坐标系中三个方向的单位矢量。摄动加速度 在上述两个坐标系中的三个分量分别记作S,T,W和F x ,F y ,F z 。
将常数变易的原理用于上述六个积分式(3.22)~式(3.25)。设
为无摄运动方程式(3.3)的任一积分。那么,对于该无摄运动有
即
而对受摄运动却变为
按常数变易的要求,其中 和 仍满足原无摄运动的相应关系,那么根据式(3.29)立即可得常数变易条件的另一种形式为
实际上,这就是条件式(3.10)的一般情况。当Ψ= x,y,z和 时,条件式(3.30)即退化为条件式(3.10)。
引用六个 Kepler 椭圆根数作为独立变量,上述六个积分的前四个,即表达式(3.22)~式(3.23),可以写成形如式(3.28)的简单形式,即
相应的条件式(3.30)为
这可用来推导摄动方程 , , , 的具体形式。
关于另两个方程,dωdt和dM dt,虽然三种近点角M,f 和E均可代替过近地点时刻τ作为独立变量,但它们都不能看做积分常数,因此,对后两个积分式(3.24)和式(3.25)不便引用条件式(3.30)。尽管如此,但仍可利用这两个积分直接推导 和 。推导中将要用到 ,这可由面积积分将它与 联系起来。对于无摄运动有
而对于受摄运动,前面给出的式(3.12)即相应的面积积分的完整形式,于是有
由此得
由该关系式和两个积分式(3.24),式(3.25)即可直接导出摄动运动方程 和 。
根据上一小节的常数变易原理和相关条件,首先将积分式(3.28)写成式(3.31)的形式,即
对此积分利用条件式(3.32)给出
其中
代入上式整理后即给出轨道半长径a的摄动运动方程为
接着推导摄动运动方程 , 和 的具体形式。分别利用积分式(3.22)在轨道面法向和x,y方向上的分量,相应的形式为
对此利用条件式(3.32)得
由 ,式(3.38)可以写成下列形式,即
将前面已导出的方程 的右端代入该式,即可获得偏心率e的摄动运动方程为
为了由式(3.39)和式(3.40)推导出摄动运动方程di dt和dΩ dt的具体形式,需要计算该两式中的 和 。在空间轨道极坐标系中记为
经三次旋转可得 在中心天体赤道坐标系中的表达式,即
其中u=f+ω。将该式的两个分量 和 分别代入式(3.39)和式(3.40)即可给出摄动运动方程 和 的具体形式,即
利用轨道积分式(3.24)的两种形式可分别给出
根据常数变易的前提,按椭圆运动关系有
通过式(3.34)和Kepler积分式(3.25)给出的如下导数关系
即可将式(3.47)和式(3.48)中的 和 与 和 联系起来,从而推导出最后两个摄动运动方程为
上述各式中的n即第2章中定义的平运动角速度,有 。
如果摄动力是保守力,则相应的摄动加速度 可由式(3.53)表达,即
这里的R即摄动函数,一般有
其形式由具体的摄动源所确定。
关于 型的摄动运动方程,容易由S,T,W型摄动运动方程转化而得,只要根据椭圆运动关系给出偏导数 与S,T,W的关系即可,下面给出这一结果。
因摄动函数对应保守力,只与位置矢量有关,即 ,故有
其中
这里l j ,m j ,n j (j=1,2,3)是径向、横向和轨道面法向单位矢量 的三个分量,即
三个单位矢量 满足下列关系
另一个关系式 需要给出,由 可知
将式(3.55)和式(3.59)连同式(3.56)~式(3.58)和式(3.60)一并代入式(3.54),经整理后给出
利用第2章二体问题中的如下偏导数关系式
即可给出式(3.61)的具体形式,即
根据这一关系式,即可由S,T,W型摄动运动方程转化成 型的摄动运动方程,具体表达式将在下一节一并整理给出。
在上述摄动运动方程的建立中,第六个根数没有选择运动天体过近地点的时刻τ,也未像某些天体力学书籍中选择 M 0 =-nτ, ,而是选择了平近点角M。其原因很简单,一是因为在受摄运动中,τ和M 0 都是变化的,已无实用意义,而平近点角M的意义仍是明确的,引用方便;另一原因是因为
它是两个根数a和τ的组合,在相应的摄动运动方程中出现的 就不再涉及R中通过M隐含a的问题,因此时M本身是独立的,这就不会引起考虑相应问题的麻烦。