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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