行星的自然卫星轨道动力学

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第1章卫星动力学研究的目标、问题和方法1 1.1介绍1 1.2天体力学——研究行星卫星动力学的基础1 1.3研究行星卫星动力学的目标2 1.4天体力学和天体测量学的基本概念2 1.5根据观测结果研究行星和卫星动力学的一般方法5 1.6必要观测的特殊属性7 第2章行星的卫星10 2.1行星的卫星——太阳系的天体10 2.2行星卫星的分类和命名法10 2.3海王星及其卫星海卫一的发现13 2.4冥王星卫星卡戎的发现史14 2.5有卫星的行星轨道参数和物理参数18 2.6行星卫星的轨道参数20 参考文献22 第3章运动方程和分析理论25 3.1运动方程和坐标系25 3.2开普勒运动模型26 3.2.1开普勒运动的基本公式26 3.2.2椭圆轨道中的位置计算31 3.2.3椭圆轨道中的速度计算31 3.2.4椭圆轨道中坐标和速度关于开普勒根数的偏导数计算31 3.2.5关于非奇异根数（拉格朗日根数）的开普勒运动方程33 3.2.6拉格朗日根数应用举例35 3.3非球形行星的引力函数35 3.3.1力函数展开35 3.3.2模型的引力和真实的引力36 3.4主卫星对行星远距离卫星运动影响的近似38 3.5构建行星卫星运动模型的方法39 3.6基于两个固定中心的广义问题解的扁球形行星卫星运动模型40 3.7基于摄动法的行星卫星运动分析理论42 3.7.1摄动理论的一般原理42 3.7.2使用摄动理论方法分析真实天体的运动43 3.7.3中间轨道根数的方程式46 3.7.4用小参数法求解中间轨道根数方程51 3.7.5泊松法求解中间轨道根数方程53 3.8关于行星卫星中间轨道根数的摄动函数展开54 3.9行星卫星中间轨道根数摄动的确定57 3.10卫星轨道半长轴的常数摄动60 3.11进动椭圆模型63 3.12小偏心率轨道的摄动运动64 3.12.1问题的提出64 3.12.2构建一个圆形摄动运动模型65 3.12.3过渡到开普勒轨道根数66 3.12.4具有小偏心率的摄动运动中卫星吻切轨道的开普勒根数67 3.13行星卫星运动的建构分析理论71 3.13.1海王星的卫星海卫一的运动分析理论71 3.13.2木星近距离卫星的进动椭圆模型75 3.13.3考虑卫星间相互引力作用的大行星主要卫星的特殊解析理论77 3.14行星和卫星的粘弹性体潮汐对卫星轨道运动的影响78 3.14.1关于潮汐的影响78 3.14.2直角坐标系中的方程79 3.14.3求解直角坐标方程81 3.14.4转换为开普勒根数微分方程88 3.14.5关于潮汐变形对卫星动力学影响的一些重要结论92 参考文献94 第4章用数值积分方法构建卫星运动模型98 4.1求解天体运动方程的目的98 4.2运动方程数值积分方法的一般性质98 4.3常微分方程的龙格库塔积分法101 4.4一种用数值积分法求解天体运动问题的算法102 4.5用埃弗哈特方法对常微分方程进行数值积分的计算程序说明103 4.6常微分方程数值积分的别利科夫程序106 4.7数值积分程序的测试和比较106 4.8用截断切比雪夫级数逼近行星和卫星的直角坐标107 4.9数值积分问题与方法综述：阿夫杰耶夫的专著108 参考文献110 第5章行星卫星的观测111 5.1观测的一般原则111 5.2确定行星及其卫星相对观测中心的位置112 5.3行星观测112 5.4行星卫星的观测114 5.5两颗行星卫星的观测114 5.6行星卫星观测过程中角度值的测量116 5.7卫星之间角距和位置角的计算117 5.8卫星切向坐标的测定118 5.9通过互掩卫星的光度观测确定行星两个卫星的坐标差118 5.10关于行星卫星观测测量值的结论120 5.11以双星相互逼近时刻作为测量量120 5.12行星卫星地面观测的方法与技术122 5.13行星卫星的观测来源123 5.14行星卫星观测的时间尺度和坐标系统124 参考文献128 第6章建立基于观测的天体运动模型129 6.1基于观测的天体运动参数微分改进方法：最小二乘法的应用129 6.2解的弱条件性和模糊性136 6.3滤波算法综述137 6.4测量量的计算及测量量对待估量的偏导数138 6.4.1计算的一般顺序138 6.4.2三体问题中等时导数的微分方程,运动方程初始条件的改进140 6.4.3三体问题中等时导数的微分方程，扰动天体质量的改进142 6.4.4椭球行星卫星运动问题中等时导数的微分方程143 6.4.5站心角度测量的条件方程构造145 6.5设置观测量和条件方程权值147 6.6残差的统计特征149 6.7剔除粗略观测150 参考文献152 第7章通过对行星卫星相互掩星或日食的观测获得的天体测量数据153 7.1现象描述153 7.2获取天文测量数据的方法155 7.3行星卫星相互掩星和日食的简化模型157 7.4行星卫星相互掩星和日食的光度模型159 7.4.1一般光度特性159 7.4.2卫星互掩的光度模型160 7.4.3卫星日食的光度模型161 7.5行星卫星的光散射定律162 7.5.1洛梅尔塞利格光散射定律162 7.5.2用于光滑表面的Hapke光散射定律163 7.5.3粗糙表面的Hapke光散射定律163 7.5.4木星伽利略卫星的Hapke定律参数165 7.6卫星合成星盘光度特性166 7.7土星和天王星主要卫星相互掩星和日食的光度模型169 7.7.1土星主要卫星相互掩星和日食的光度模型169 7.7.2天王星主要卫星相互掩星和日食的光度模型170 7.8不同观测类型的观测精度171 7.9关于卫星相互掩星和日食期间的全球性观测活动172 7.10提高天文测量结果准确性的困难172 7.11未来互掩互食现象的发生时间176 参考文献178 第8章行星卫星星历表的精度估计181 8.1决定星历表精度的因素181 8.2基于蒙特卡罗方法获取观测误差方差的星历精度估计182 8.3通过使用“bootstrap”样本改变观测值的组成来估计星历精度183 8.4通过运动参数变异法估计星历的精度185 8.5主要行星远距离卫星星历的精度187 参考文献190 第9章行星卫星的自转191 9.1行星卫星自转的一般特性191 9.2行星和卫星自转的基本概念192 9.3海王星的自转和海卫一的轨道193 9.4火卫一的自转理论196 9.5木星的伽利略卫星、土星卫星和冥王星卫星的自转198 9.6行星卫星的混沌自转——土卫七的自转199 参考文献203 第10章行星卫星轨道的演化206 10.1各种因素对行星卫星轨道演化的影响206 10.2受行星扁率主要影响的卫星轨道演化206 10.3太阳引力作用下行星卫星轨道的演化208 10.3.1摄动函数的平均化208 10.3.2一个特例——希尔问题211 10.3.3希尔类型二次平均摄动函数在偏心率e和近心点幅角ω变化下的轨道 族类分析212 10.3.4希尔情形下双平均摄动函数的时间轨道演化218 10.3.5构建的轨道演化理论在研究真实行星卫星动力学中的应用223 10.4行星卫星轨道演化的精细模型——数值分析法225 10.5在各种因素综合影响下行星卫星轨道的演化226 10.6根据轨道演化的类型和性质对木星、土星、天王星和海王星等远距离卫星 的轨道进行分类228 10.7行星远距离卫星的轨道演化和交会229 10.7.1关于行星远距离卫星轨道演化的现代知识229 10.7.2计算和检测行星远距离卫星的交会事件的问题231 10.7.3卫星轨道演化的一种解析描述232 10.7.4确定行星远距离卫星轨道之间的最小距离233 10.7.5研究行星远距离卫星轨道演化和交会的推荐网络资源233 10.7.6计算卫星轨道之间最小距离的示例234 10.7.7结论236 10.8拉普拉斯拉格朗日长期摄动理论的改进236 参考文献237 第11章行星卫星的物理参数242 11.1引言242 11.2行星卫星物理参数手册243 11.3使用地面光度法在木卫一上探测火山243 11.4行星远距离卫星物理参数的估计244 11.4.1行星远距离卫星的特征244 11.4.2行星远距离卫星可用光度数据综述245 11.4.3行星远距离卫星的光度模型247 11.4.4用光度法测定卫星的光度参数248 11.4.5确定卫星光度参数的原始数据和结果249 11.4.6不同作者所得结果的比较252 11.4.7关于行星远距离卫星光度参数估计的结论254 11.5通过其他卫星的天体测量观测确定木卫六的质量254 参考文献258 第12章行星卫星运动的最新模型和信息资源261 12.1行星卫星运动理论和星历的变体和版本变化261 12.2获得行星卫星数据库、运动模型和星历的方式262 12.3MULTISAT星历服务器功能266 12.4MULTISAT星历服务器中的理论和模型269 12.5JPL星历服务器中的理论和模型273 12.6虚拟天文台中的行星卫星273 12.7基础天文学标准274 参考文献276 附录279 附录A行星的命名279 附录B行星的轨道参数290 附录C天体力学中的特殊函数300 附录D时间标准304 附录EC语言实现的Cholesky分解308 附录F行星和天然卫星的自转参数309 附录G行星卫星的物理参数326