前修课程、能力和知识结构要求：

先修课程：高等数学、大学物理

后续课程：卫星控制仿真技术、航天器导航技术、飞行器信息融合理论及应用

先修/后续课程学习进程参考图：

学生学习本门课程之前所需掌握的主要能力和知识结构：

1. 航天器轨道动力学涉及到天体物理和一些高等数学的知识，因此要求学生在上本课程之前学习过大学物理中关于力学部分的内容，对牛顿第二定律有深刻的理解。对动力学和运动学的概念有清晰的理解。

2. 本课程涉及矢量的相关知识，因此应掌握高等数学里边的大部分内容。掌握矢量的定义，矢量的混合运算等相关知识。

课程结构说明：

该课程的内容主要由以下几个部分组成：

1. 质点动力学部分回顾质点动力学的一些基本知识，如牛顿运动定律以及万有引力定律条件下的三维空间中的矢量运动学；

2.二体问题部分主要介绍经典二体问题的矢量解法；限制性三体问题的力学方程；不同轨道条件下，轨道位置和时间相关的开普勒方程；三维空间中的轨道形态；

3. 初始轨道确定部分学习几种初始轨道的确定方法；吉伯斯法、兰伯特问题、高斯法。

4. 轨道机动部分介绍利用脉冲速度增量进行轨道转移的常用方法；

5. 相对运动与教会学习相对运动方程的推导，运用相对运动方程解决双脉冲交会问题

6. 行星际轨道主要介绍行星际太空任务的基本问题。  

    课程的讲解主要以理论授课为主，另外还有单独的航天器轨道动力学实验内容和课程设计帮助大家理解所学知识并会运用所学知识解决实际问题。

在授课过程中会穿插一些随堂测试，一学期不少于三次。课外作业每一章安排一次。

课程知识结构说明：

该课程理论课一共32学时。30个学时的理论授课。2个学时的习题课

课程结构为：

第一部分初级轨道力学

质点动力学........... ......... ...........................................2

二体问题............. ................... …................................2

限制性三体问题.............. ..... ...................................1

轨道位置的时间函数................. ..... ........................2

三维空间中的轨道.............................. ………….......2

习题课................ ...................  ..... .....……………......2

第二部分轨道力学

初始轨道确定..........................................………........4

航天器轨道机动………….......................... ................6

 航天器相对运动与交会...........................................4

 行星际轨道…………............... ..... ..... ......................6

轨道力学的MATLAB仿真......................... ......... ....1

合计......................................................................................32

课程知识结构说明：

该课程主要涉及高等数学，理论力学，计算机基础等知识领域。

1.   质点动力学  （2.0）

本部分是质点运动学与动力学及一些基本矢量运算的参考内容，包括了后续内容中学习轨道力学所需要的足够材料。主要知识点及学习目标：

Δ回顾质量、力、位置、速度和加速度等矢量之间的关系；                       （0.5）

Δ 回顾牛顿万有引力定律和牛顿运动定律；                                              （0.5）

* 掌握运动矢量在不同坐标系下的时间导数；                                            （0.5）

* 掌握空间相对运动的位置矢量、速度矢量和加速度矢量公式的推导方法。 （0.5）

2. 二体问题  （3.0)

本部分介绍了两物体的运动状态仅由它们之间的引力决定的经典二体问题的矢量解法。利用角动量守恒和能量守恒定律得出不同轨道类型的一些基本性质，主要知识点及学习目标：

   * 掌握惯性系下的运动方程、相对运动方程的推导及结果；                             (0.5)

* 熟记角动量和能量定律，并会应用；                                                          (0.5)

* 熟练掌握利用角动量守恒和能量守恒定律来分析不同轨道类型的基本性质； (0.5)

    * 掌握近焦点坐标系和拉格朗日系数的定义；                                              （0.5）

    *  掌握限制性三体问题相关知识点；                                                             (1.0)

3. 轨道位置的时间函数    (2.0)

第二部分建立了位置与真近点角的关系。本部分主要推导轨道位置与时间相关联的多种形式的开普勒方程，这些超越方程必须实用牛顿法等迭代过程求解。主要知识点及学习目标如下：

* 掌握四类圆锥曲线轨道的位置与时间相关联的开普勒方程；                         (1.0)

* 掌握用全局变量表示的轨道位置与时间的关系；                                          (1.0)

4. 三维空间中的轨道      (2.0)

前三部分对轨道力学的研究均限制在二维空间中进行，也就是说，都是在轨道自身平面内。本部分将讨论三维空间下描述轨道运动的方法，这也是真实的太空任务及轨道机动所需要的。主要知识点及学习目标如下：

* 掌握地心赤经-赤纬坐标系及地心赤道坐标系的定义、新的描述卫星轨道的状态向量-轨道根数；                                                                                                                                          (1.0)

* 掌握矢量坐标在不同坐标系之间的变换、掌握地球扁率对轨道的主要影响。   (1.0)

5. 课堂练习    (2.0)

课堂练习部分主要是对课程前半部分的课后习题进行集中讲解，同时考察学生对课程内容的掌握情况。

6．初始轨道确定        （4.0）

本部分将介绍根据地面观测来确定卫星初始轨道的几种经典定轨方法。此处所运用的方法均以二体运动方程为基础。初始轨道确定是轨道确定的重要组成部分，因此此部分对同学们将来从事航天工作具有重要的现实意义，主要知识点及学习目标：

* 牢固掌握吉伯斯三位置矢量定轨法；                                                         （1.0）

* 掌握恒星时、测站坐标系、测站赤道坐标系及测站地平坐标系的定义          （1.0）

* 牢固掌握利用角度与斜距观测数据进行初始轨道确定的方法；                    （1.0）

* 牢固掌握利用单纯的角度观测数据进行初始轨道确定的方法；                    （1.0）

7. 航天器轨道机动                 (6.0）

轨道机动是使航天器从一个轨道转移到另一个轨道，这也是航天技术中一个常用的非常关键的技术，是航天专业的学生必须牢固掌握的一部分航天专业知识，主要知识点及学习目标：

* 牢固掌握霍曼转移的定以及计算方法；                                                      （2.0）

* 牢固掌握调相机动；                                                                                   (1.0)

* 掌握共拱线非霍曼转移及拱线转动；                                                           (1.0)

* 掌握追击机动；                                                                                          (1.0)

* 掌握非共面轨道机动方法；                                                                         (1.0)

8. 相对运动与交会                (4.0）

到目前为止，我们所提及的轨道运动大多是在相对于引力中心的非旋转坐标系中进行的，在交会机动中，两轨道器均是从自身自由旋转的、非惯性坐标系中观察另一对象。因此，本部分将介绍空间飞行器交会对接的相对运动问题。主要知识点及学习目标：

* 掌握轨道上的相对运动；                                                                            (1.0)

* 掌握轨道相对运动方程的线性化；                                                              (1.0)

* 掌握双脉冲交会机动；                                                                               (1.0)

* 掌握临近圆轨道上的相对运动。                                                                 (1.0)

9. 行星际轨道                   （6.0）

本部分主要讨论行星际任务规划的一些基本方面。先从最省能量的霍曼转移开始，然后推导出行星处于这些位置的时间窗口。然后讨论讨论行星际轨道机动的方法。主要知识点及学习目标：

* 掌握行星际轨道机动；                                                                               (2.0)

* 掌握行星际交会；                                                                                      (1.0)

* 掌握行星际飞跃；                                                                                      (1.0)

* 掌握行星际星历表；                                                                                   (1.0)

* 掌握非霍曼行星际转移轨道。                                                                      (1.0)

10. 轨道力学仿真                （1.0）

本部分主要讲解如何利用MATLAB仿真工具来实现对本课程的相关内容的计算机仿真。需要同学们对一些计算机基础及编程知识有所掌握。