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出版者:国防工业出版社（图书发行部）（新时代出版社）

作者:陈永冰

出品人:

页数:247

译者:

出版时间:2007-11

价格:28.00元

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isbn号码:9787118053999

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• 系统集成
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深入探索宇宙航行与时空测量：以《天体运动学与轨道力学导论》为例的图书简介 图书名称：《天体运动学与轨道力学导论》 图书简介 本书旨在为读者提供一个全面、深入且严谨的天体运动学（Astrokinematics）与轨道力学（Orbital Mechanics）的基础框架与高级应用视角。它并非聚焦于地球内部的姿态确定与导航系统（如惯性导航系统），而是将读者的目光投向浩瀚的宇宙空间，探讨物体在引力场中的精确运动规律、轨迹预测以及轨道设计的基本原则。 在当代航天工程、行星科学乃至天体物理学的研究中，对卫星、深空探测器、行星际飞船乃至彗星和小行星轨道行为的精确建模与计算能力，是任务成功的基石。《天体运动学与轨道力学导论》正是在这一需求背景下，精心编纂而成的一本集理论深度、计算方法与工程应用为一体的专业教材与参考书。 第一部分：时空基准与参考系转换 本书的开篇并非直接进入牛顿定律的应用，而是首先确立理解天体运动的数学与几何基础。我们深知，任何运动的描述都依赖于一个稳定且准确的参考系。因此，第一部分详细剖析了不同天文参考系的构建与转换： 1. 地心坐标系（Earth-Centered Inertial, ECI）的建立与演化： 重点讨论了基于国际天体参考系（ITRF）和国际天体参考系（ICRF）的建立，分析了由地球自转、岁差、章动引起的坐标轴漂移，并提供了精确转换的欧拉角序列与四元数描述方法。 2. 地固坐标系（Earth-Centered Fixed, ECF）与时间系统： 详细阐述了世界时（UT1）、儒略日（Julian Date）、历书时间（ET）和协调世界时（UTC）之间的相互关系及其在轨道建模中的应用差异。特别探讨了高精度轨道计算中对相对论时间延迟的修正。 3. 天体力学中的矢量代数与微分几何基础： 回顾并深化了矢量运算在三维空间中的应用，引入了曲率、挠率的概念，为后续处理非开普勒运动（如摄动分析）奠定数学工具。 第二部分：开普勒运动与基本轨道要素 在确立了参考系之后，本书的核心转向二体问题的精确求解——即在仅考虑两个质点之间引力作用下的运动规律，这是所有轨道力学问题的基础。 1. 万有引力定律的数学形式化： 从牛顿的引力定律出发，推导出微分形式的运动方程，并引入比率积分（vis-viva equation）作为能量守恒的直接体现。 2. 六大轨道要素（Keplerian Orbital Elements）的定义与物理意义： 对半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角及真近点角进行了详尽的几何解释和数学推导。我们强调了这些要素如何独立地定义一个瞬时轨道。 3. 轨道在不同时间点的确定： 重点讲解了拉格朗日插值法与高斯方法在根据观测数据确定初始轨道时的应用。同时，对轨道周期（Period）的计算进行了详细的物理分析，区分了椭圆、抛物线和双曲线轨道下的周期概念。 第三部分：轨道机动与传递轨迹设计 本书超越了描述现有轨道的范畴，深入探讨了如何通过控制推力来改变或优化飞行器轨道，这是航天任务规划的关键。 1. 冲量作用下的轨道突变（Impulsive Maneuvers）： 详细分析了霍曼转移轨道（Hohmann Transfer）的设计原理，计算了不同轨道间转移所需的最小速度增量（$Delta V$）。此外，还涵盖了相位调整、轨道平面改变以及近地点/远地点抬升等基本机动策略。 2. 轨道会合与交会（Rendezvous and Docking）： 引入拉格朗日点和雅可比积分的概念，为理解空间站对接和近距离飞行提供了理论基础。特别关注了比尔-朗斯多夫（Billups-Runge-Kutta）迭代法在精确预测交会时间的应用。 3. 非对称推力分析： 讨论了低推力轨道机动的基本概念，特别是利用太阳帆或离子推进器等连续小推力源进行轨道优化的挑战与方法。 第四部分：摄动理论与实际轨道动力学 在实际的深空任务中，卫星的运动受到地球非球形引力场、大气阻力、日月引力以及太阳辐射压力等多种因素的影响，导致其偏离理想的开普勒轨道。 1. 非球形引力场的建模与分析： 重点讲解了大地水准面（Geopotential Surface）的描述，特别是球谐函数展开（Spherical Harmonics Expansion），并详细分析了$J_2$ 项（地球扁率）对轨道要素的长期影响，包括轨道平动（Secular Variation of Elements）。 2. 摄动方程的求解： 采用拉格朗日行星方程（Lagrange Planetary Equations），以轨道要素的变化率为目标，系统性地推导了各项摄动因子对轨道要素的影响率。 3. 大气阻力的影响： 针对近地轨道（LEO）环境，建立了简化的空气动力学模型，分析了大气密度模型（如NRLMSISE-00模型）的选择对轨道衰减预测的准确性影响。 总结 《天体运动学与轨道力学导论》以其严谨的理论推导、丰富的案例分析和对现代参考系与时间系统的精确处理，为学习者提供了一套完整的从地球到行星际空间的运动描述工具箱。本书的核心价值在于揭示了引力如何塑造宇宙中的运动轨迹，是所有从事卫星轨道设计、航天器导航（广义的，指轨迹跟踪与预测）以及天体物理学研究的专业人士不可或缺的参考资料。它专注于宏观运动规律，而非传感器或姿态控制的细节。

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坦白讲，我带着一种近乎朝圣般的心情翻开了《惯性导航原理》。这本书的厚度已经预示了其内容的深邃。最让我惊艳的是它对实时性和鲁棒性的关注。在处理高速运动和复杂环境下的导航问题时，许多教材往往停留在理想状态的推演，但本书却毫不回避地探讨了实际工程中那些令人头疼的非线性和时变特性。例如，书中对卡尔曼滤波在非线性系统中的拓展应用，以及如何针对特定平台的动态特性进行优化设计，都展现了极高的实践指导意义。我尝试着将其中的一些算法应用于一个小型仿真平台，发现理论预测与实际运行结果之间的契合度极高，这无疑是对作者功力的最好证明。这本书的行文风格带着一种老派的、对科学真理的执着追求，它不迎合快速阅读的潮流，而是要求读者沉下心来，与作者一同进行一场漫长而艰苦的智力跋涉。

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对于一个并非科班出身，但对高精度定位技术充满好奇的业余爱好者来说，《惯性导航原理》无疑是一次严峻的考验。它的专业性强到让人既敬畏又有些望而却步。我必须承认，阅读过程中，我频繁地需要借助外部资料来理解某些高阶的数学工具，例如张量分析在坐标系转换中的应用部分，简直让人感觉回到了大学深造的时光。然而，一旦克服了最初的“阅读障碍”，书中的一些精妙设计便会显现出来。作者在阐述理论时，极少使用过于花哨的比喻，而是直击问题的核心，这种克制反而构建了一种强大的说服力。它仿佛在对读者说：“这不是魔术，这是严谨的物理和数学，你必须理解它们是如何运作的。”这本书更像是供专业人士“对表”和“校验”的基准读物，而非面向大众的科普读物，其深度和广度，值得反复研读和查阅。

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这本书最让我感到耳目一新的是其系统性的视角。许多关于导航的书籍往往会侧重于某一个传感器或某一种算法，但《惯性导航原理》却成功地将整个惯性导航系统视为一个相互耦合、相互制约的有机整体来描绘。从硬件选型对系统误差的影响，到软件算法如何补偿环境干扰，再到最终的输出结果如何评估和反馈，作者构建了一个完整的闭环认识框架。这种全局观的培养，对于任何想要从事系统集成工作的人来说，都是无价之宝。特别是关于“系统误差源的分解与辨识”那一章，作者用清晰的逻辑将那些原本杂乱无章的误差信号梳理得井井有条，让人在面对复杂工程问题时，不再感到无从下手，而是能迅速定位问题的根源所在。读完后，我感觉自己对“系统工程”的理解上升到了一个新的维度。

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阅读《惯性导航原理》的过程，更像是一场智力上的“极限拉伸”。这本书的叙述节奏沉稳有力，没有丝毫的浮躁。它对待每一个概念的引入都极其审慎，先给出物理意义，再建立数学模型，最后探讨其实际应用中的限制。这种扎实的治学态度，在如今快餐式的知识获取环境中尤为可贵。我特别喜欢其中对“误差传递”和“信息融合”的深度探讨，这些是决定导航系统性能的关键所在。书中对不同融合策略（如扩展卡尔曼滤波与无迹卡尔曼滤波的适用场景对比）的论述非常到位，既有理论推导，又不失工程实践中的权衡考量。总体而言，这本书要求读者具备坚实的数学基础和对物理世界深刻的洞察力，它不是用来“翻阅”的，而是用来“消化”的，每读完一部分，都需要停下来仔细推敲，才能真正领悟其中蕴含的智慧和严谨。

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这本《惯性导航原理》读完后，我的内心久久不能平静。它不仅仅是一本技术手册，更像是一部引领人探索未知领域的探险指南。作者似乎将毕生的心血都倾注在了这本厚重的著作中，每一个公式、每一个图解都透露出严谨与深刻。我尤其欣赏它在理论基础部分的处理方式，那种层层递进的逻辑链条，仿佛搭建了一座宏伟的知识殿堂，让人在攀登的过程中既感到挑战，又充满了成就感。那些关于误差模型和状态估计的章节，虽然初读时需要花费大量精力去理解，但一旦豁然开朗，便会发现作者构建了一个极其精妙且自洽的理论体系。书中对不同导航系统（如陀螺仪、加速度计）工作原理的细致剖析，让我对现代航空航天、无人系统背后的核心技术有了前所未有的清晰认识。可以说，这本书为我打开了一扇通往精密测控世界的大门，其价值远超一本书籍本身，更像是一位严厉而又耐心的导师，时刻鞭策着我深入思考。

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