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第1章 概论 1

1.1 航天系统和航天器 1

1.1.1 航天系统 1

1.1.2 航天器 5

1.2 航天测控系统及其在航天任务中的地位与作用 11

1.2.1 航天测控系统 11

1.2.2 航天测控系统在航天任务中的地位与作用 12

1.3 航天测控系统的组成及各部分的功能 15

1.3.1 系统组成及各分系统的功能 15

1.3.2 网络组成及各单元的功能 22

参考文献 25

第2章 航天器飞行轨道 26

2.1 概述 26

2.2 地球坐标系统及其转换 28

2.2.1 地心坐标系的基本定义 29

2.2.2 地极移动与协议地心坐标系 33

2.2.3 参心坐标系 37

2.2.4 地球坐标系间的转换 40

2.2.5 站心坐标系及其转换 43

2.3 天球坐标及其转换 49

2.3.1 天球和天球坐标系 49

2.3.2 瞬时天球坐标系与平天球坐标系 52

2.3.3 天球坐标系的转换 53

2.4 时间系统 57

2.4.1 时间的基本概念 57

2.4.2 世界时系统 58

2.4.3 原子时系统 61

2.4.4 力学时系统 62

2.5 航天器的无摄运动与轨道计算 63

2.5.1 二体问题运动方程及其解 63

2.5.2 二体问题的航天器星历计算 73

2.5.3 二体问题的轨道计算 76

2.6 航天器的摄动运动方程 78

2.6.1 直角坐标表示的摄动运动方程 78

2.6.2 拉格朗日运动方程 79

2.6.3 牛顿受摄运动方程 81

2.6.4 适用于任意偏心率（0≤e≤1）的摄动运动方程 82

2.6.5 适用于任意偏心率（0≤e≤1）和任意倾角（0≤i≤180 ）的摄动运动方程 84

2.7 轨道与初始条件的关系 85

2.7.1 概述 85

2.7.2 轨道与发射场位置、发射方位角和发射时刻的关系 86

2.7.3 阳光窗口 87

2.7.4 平面窗口 91

2.8 静止轨道 93

2.8.1 静止轨道特性 93

2.8.2 轨道偏差引起的位置漂移 95

2.8.3 静止轨道的主要摄动 97

2.9 太阳同步轨道 99

2.9.1 太阳同步轨道的定义 99

2.9.2 太阳同步轨道的特点 100

2.10 其它轨道 101

2.10.1 回归轨道 101

2.10.2 临界轨道 102

2.10.3 冻结轨道 103

2.11 航天器视运动 104

参考文献 110

第3章 航天器测量 111

3.1 轨道测量 111

3.1.1 测量元素 111

3.1.2 无线电跟踪测量系统的组成和基本工作原理 113

3.1.3 距离测量 114

3.1.4 速度测量 123

3.1.5 角度测量 129

3.2 遥测 138

3.2.1 遥测在航天任务中的地位和作用 138

3.2.2 遥测系统基本原理与分类 139

3.2.3 PCM遥测 142

3.2.4 自旋稳定静止卫星姿态信号模拟遥测系统 145

3.3 科学和应用信息的兼收 151

参考文献 151

第4章 航天器控制 152

4.1 概述 152

4.1.1 航天器控制的基本内容 152

4.1.2 航天器控制方式分类 153

4.1.3 地面测控系统对航天器控制的作用 155

4.2 姿态动力学 156

4.2.1 姿态运动学 156

4.2.2 刚体姿态动力学 160

4.2.3 自旋航天器姿态动力学 162

4.2.4 双自旋航天器姿态动力学 163

4.2.5 轮控三轴稳定航天器姿态动力学 163

4.2.6 挠性附件和液体的影响 164

4.2.7 空间环境力矩 165

4.3 姿态控制 167

4.3.1 航天器控制系统 167

4.3.2 自旋航天器姿态对控制力矩脉冲的响应 171

4.3.3 自旋航天器姿态机动的地面控制 173

4.3.4 自旋航天器章动的地面控制 175

4.3.5 细长体自旋航天器的姿态章动联合控制 176

4.3.6 偏置动量三轴稳定航天器的地面应急控制 177

4.4 轨道控制基础和最优轨控原理 180

4.4.1 轨道控制推力模型 180

4.4.2 变轨控制的基本方程 181

4.4.3 轨道机动及优化 188

4.5 地球同步卫星的轨道控制 195

4.5.1 远地点和近地点变轨机动 195

4.5.2 定点捕获 199

4.5.3 位置保持 206

4.6 太阳同步卫星的轨道控制 210

4.6.1 轨道捕获和标称根数确定 211

4.6.2 轨道维持 212

4.7 航天器的交会对接控制 215

4.7.1 交会对接概述 215

4.7.2 变轨调相 216

4.7.3 C-W方程的特殊解 219

4.7.4 寻的（从调相到第一停泊点） 223

4.7.5 相对逼近（从第一停泊点到第二停泊点） 225

4.7.6 最终逼近（从第二停泊点到停靠对接） 227

参考文献 228

第5章 航天测控系统总体设计 229

5.1 航天测控系统总体设计一般要求 229

5.1.1 设计任务 229

5.1.2 设计依据 230

5.1.3 设计原则 230

5.2 航天测控系统总体设计工作内容 231

5.2.1 协调测控技术要求 231

5.2.2 测控任务分析 233

5.2.3 论证制定测控系统总体技术方案 234

5.2.4 测控网布局及其中心和站的任务分配 234

5.2.5 测控系统（设备）体制选择 235

5.2.6 测控精度分析与分配 235

5.2.7 测控可靠性分析与分配 237

5.2.8 编制测控系统信息流程 237

5.2.9 提出测控设备主要战术和技术要求 238

5.2.10 提出地-地通信和时统系统的主要战术和技术要点 238

5.3 近地卫星测控系统总体设计 239

5.3.1 近地卫星测控的特点 239

5.3.2 测控系统的任务与要求 240

5.3.3 测控网设计 242

5.3.4 入轨段测控方案设计 244

5.3.5 运行段测控方案设计 245

5.3.6 返回段测控方案设计 248

5.4 地球同步卫星测控系统总体设计 252

5.4.1 地球同步卫星至定点过程简述 252

5.4.2 地球同步卫星测控系统的任务与要求 255

5.4.3 地球同步卫星测控的特点 258

5.4.4 地球同步卫星测控网布局 260

5.4.5 转移轨道入轨段测控方案设计 261

5.4.6 转移轨道段测控方案设计 262

5.4.7 定点管理测控站设计 264

5.5 载人航天测控系统总体设计 268

5.5.1 载人飞船的发射、运行和返回 269

5.5.2 载人航天测控网的任务要求与特点 272

5.5.3 载人航天测控网总体设计 274

参考文献 292

第6章 航天器轨道数据处理 293

6.1 概述 293

6.2 轨道数据预处理 294

6.2.1 轨道数据预测处理的基本内容 294

6.2.2 轨道数据预处理方法 294

6.3 发射入轨轨道实时监视 299

6.4 初始轨道确定 300

6.4.1 实始轨道确定的基本概念 300

6.4.2 制导遥测数据定初轨 303

6.4.3 雷达数据定初轨 306

6.4.4 双频数据定初轨 307

6.4.5 加权单位矢量法定初轨 309

6.5 摄动理论及计算方法 311

6.5.1 航天器运动受力分析 311

6.5.2 摄动运动方程求解的解析方法 316

6.5.3 摄动运动方程求解的数值积分方法 333

6.6 轨道改进 342

6.6.1 轨道改进的基本原理 342

6.6.2 轨道改进的几种常用方法 360

6.7 轨道预报 363

6.7.1 轨道预报的内容和基本原理 363

6.7.2 轨道预报的分类 364

6.7.3 近地轨道预报 364

6.7.4 大椭圆轨道预报 368

6.7.5 地球同步轨道预报 371

6.8 轨道数据处理精度评定 373

6.8.1 轨道数据处理精度评定原理 373

6.8.2 轨道数据处理精度评定方法 374

参考文献 375

第7章 航天器姿态数据处理 376

7.1 概述 376

7.2 姿态定义与描述方法 377

7.2.1 姿态定义 377

7.2.2 姿态描述方法 378

7.3 姿态测量及姿态确定原理 379

7.3.1 参考矢量法 380

7.3.2 惯性测量法 386

7.3.3 统计估计法 387

7.4 航天器上的主要姿态敏感器 387

7.4.1 红外地球敏感器 388

7.4.2 太阳敏感器 392

7.4.3 星敏感器 397

7.4.4 磁强计 399

7.4.5 无线电敏感器 401

7.4.6 惯性姿态敏感器 404

7.5 姿态确定方法 406

7.5.1 确定三轴姿态的确定性方法 406

7.5.2 三轴姿态确定的统计估计法 414

参考文献 428

第8章 航天器长期管理 429

8.1 概述 429

8.1.1 长期管理的含义与任务 429

8.1.2 长期管理的特点和要求 431

8.1.3 长期管理测控网 432

8.1.4 卫星地面应用系统 436

8.2 长期管理的内容及实施方法 438

8.2.1 航天器工况监视 438

8.2.2 轨道测量与计算 439

8.2.3 静止卫星位置保持 440

8.2.4 近地卫星轨道保持 443

8.2.5 卫星姿态保持和转速保持 446

8.2.6 能源管理 450

8.2.7 数据注入与指令控制 452

8.2.8 星载设备的管理 455

8.3 长期管理期间的故障与对策 458

8.3.1 航天器故障与对策 458

8.3.2 地面测控、通信系统故障与对策 463

参考文献 464

第9章 航天测控新技术与发展 465

9.1 航天测控技术的发展 465

9.1.1 测控概念的演变 465

9.1.2 测控频率不断提高 467

9.1.3 测控设备向综合体制发展 468

9.1.4 地面测控网的合并 468

9.1.5 地基网向天基网的发展 470

9.1.6 降低航天任务的测控费用 470

9.2 航天器自主及其对测控网的影响 477

9.2.1 航天器自主 477

9.2.2 目前广泛研究的航天器自主技术 480

9.2.3 航天器自主对航天测控网的影响 486

9.3 跟踪与数据中继卫星系统 487

9.3.1 概述 487

9.3.2 中继卫星系统的基本组成与工作原理 488

9.3.3 跟踪与数据中继卫星（TDRS） 492

9.3.4 地面终端点 494

9.3.5 用户航天器的转发器 496

9.3.6 中继卫生系统的特点 497

9.4 多星测控 499

9.4.1 多星测控出现的问题 499

9.4.2 解决多星测控问题的技术途径 501

9.5.1 概述 505

9.5.2 人工智能在航天器测控管理中的应用 509

9.5.3 我国一种用于地球同步定点通信卫星在轨管理的专家系统 511

9.6 全球定位系统的测控应用 519

9.6.1 概述 519

9.6.2 GPS弹道测量与航天器轨道测量 520

9.6.3 GPS测姿系统 524

9.6.4 GPS在航天器交会对接中的应用 528

9.6.5 GPS定时 530

9.6.6 GPS用于航天测控设备精度鉴定 532

9.7 深空探测任务的测控 537

9.7.1 概述 537

9.7.2 深空测控的特点 539

9.7.3 深空测控的几项重要特殊技术 542

9.8 小卫星的测控 544

9.8.1 小卫星及其特点 544

9.8.2 小卫星测控特点 546

9.8.3 小卫星测控管理的实施 547

9.9 全球航天系统通用的测控和数传标准——CCSDS建议 550

9.9.2 CCSDS COS建议 554

9.9.3 CCSDS AOS建议 559

参考文献 567