前言

自1957年第一颗人造地球卫星升空以来，人类逐渐开启了探索无尽宇宙，筑梦浩瀚太空的伟大征程。迄今，研究人造地球卫星运动规律和提升轨道理论应用水平，已经成为拓展卫星探测能力、强化人类与宇宙联系的一条重要途径。

对人造地球卫星运动的研究，沿用了经典天体力学中的级数展开法。在级数展开时，通常认为表征地球扁率的二阶带谐系数为一阶小量，而其他摄动为二阶小量。与经典的行星运动理论一样，人造卫星的运动理论也有一阶理论、二阶理论、三阶理论等之分。事实上，由于卫星运动快，长期摄动的影响非常显著，因此人造地球卫星的一阶运动理论，通常是指包含了二阶长期摄动和一阶周期摄动的理论。同时，相较于数值方法，用分析方法来研究人造卫星的运动理论，可以直接得到卫星的轨道根数，物理意义更加明确。

不过，人造地球卫星与所有的天然天体毕竟是不同的，它是人工研制和发射到运行轨道上的一种空间飞行器（或航天器），是按照人的意志、为了人们的某种目的沿轨道运行的特殊天体。其中，人造地球卫星的运行轨道直接决定了空间任务的观测几何、运行环境，往往也决定了有效载荷的性能。所以，为了实现特定的空间任务目标，人们通常结合人造卫星的一阶运动理论，根据其任务和应用要求来选择轨道。

随着卫星应用领域的逐步扩展，越来越多的空间任务仅依靠单颗卫星已经不能完成。于是，将多颗卫星按一定的模式组成卫星星座方案开始受到重视并开展研究，成为许多空间任务的首选。卫星编队飞行作为一种比较特殊的星座，能够使系统的某些性能指标得到突破性的改善，可以完成某些单一卫星系统无法完成的航天任务。

利用运载火箭将卫星送入预定的轨道后，有时候，一颗卫星为了完成不同的任务，需要实现不同的运行轨道，即利用冲量方法或制导方法使卫星轨道发生有意改变，这就需要卫星在推力作用下进行机动变轨。

本书从人造地球卫星的运动规律和理论应用两个方面出发，详细讲解了卫星的二体问题、摄动运动方程的建立及摄动运动方程的一阶分析解，逐步引导读者熟悉为实现具体任务需求的卫星轨道设计、星座构型、编队飞行和发射段弹道设计，深入分析了冲量假设和有限推力两种情况下，为完成特定任务，卫星轨道所发生的有意改变。

全书共10章。第1章为绪论，概要地介绍了人造地球卫星的分类及应用、轨道理论的基本内容和研究方向。第2章详细论述了与人造地球卫星相关的坐标系定义和时间系统，讨论了坐标系间的转换方法。第3章从日月摄动、行星摄动等出发，讨论了岁差、章动和极移现象，分析了岁差、章动对时间系统和坐标系的影响。第4章则讨论了二体运动，即在地球密度均匀、卫星为一个质点的假设前提下，卫星的运动微分方程及其解，并探讨了星历计算、初轨确定等问题。第5章则详细推导了高斯型和拉格朗日型摄动运动方程，并简要介绍了各种摄动力。第6章主要讨论了地球形状摄动下的一阶分析解。第7章是关于卫星轨道设计的内容，首先介绍了星下点轨迹的概念，然后分析了轨道设计应该考虑的地面覆盖、轨道复现、星下点太阳照明、卫星受晒等问题，最后介绍了几种典型的卫星轨道，讨论了星座构型和编队飞行的设计方法。第8章对卫星的发射进行了研究。第9章和第10章介绍的是卫星轨道机动方面的内容。其中，第9章基于冲量假设，讨论了轨道调整、轨道改变、轨道转移和轨道拦截问题；第10章则在有限推力前提下，研究了卫星轨道机动的制导方法。

本书编写得到了有关领导和广大技术人员的大力支持。在此，对提供技术支持和对本书编写提供宝贵意见的同志，以及在编写本书中做了许多组织指导工作的领导同志表示衷心的感谢。参与本书编写工作的还有李利群、李彬、董富治、叶正茂、崔杰、安学刚、田鹏、舒传华、卢建新、白永强、荆晓荣、张其阳、彭杰、孙琦、樊文平、苗岩松、李飞晟、张正娟、田学敏、孙晨、夏红根、李正旭。

由于作者的水平所限，书中错误与欠妥之处在所难免，敬请读者批评指正。

作者