本書匯集了國際知名航天領域科學家,在意大利維特博圣馬蒂諾阿爾米奇洛舉行的2017年夏季學校衛(wèi)星動力學和空間任務:天體力學的理論和應用課程上的講義,主要涉及與衛(wèi)星動力學和空間任務設計相關的重要主題,涵蓋涉及和空間任務動力學、天體力學、航天器導航、空間探索應用、人造衛(wèi)星、空間碎片、潮汐演變等主題。本書闡述的衛(wèi)星動力學相關的前沿理論、工具和方法，理論有深度、方向明確、內容詳實，可作為航天工程領域研究生和科研人員的案頭書。
前言
意大利科爾蒂納丹佩佐（Cortina DAmpezzo）的學校持續(xù)進行傳統(tǒng)的天體力學培訓，最早始于1981年，最近幾年仍在進行相關的培訓活動。這些培訓講義通常被收集出版成書，成為該領域的研究人員常用的參考資料。
本書匯集了2017年8月28日至9月2日期間，國際知名科學家在意大利維特博圣馬蒂諾阿爾西米諾（San Martino al Cimino，Viterbo， Italy）開展的2017年夏令營 衛(wèi)星動力學和空間任務：天體力學的理論和應用課程的講義，旨在教授衛(wèi)星動力學和空間科學的最新理論、工具和方法。本書主要涉及與衛(wèi)星動力學和空間任務設計相關的重要主題。以下是對本書內容的詳細描述。
Sylvio FerrazMello介紹了一個行星潮汐理論模型，該模型中有一個均勻的基礎物體繞著垂直于伴星軌道平面的自旋軸旋轉。假定潮汐變形體為橢球形，其旋轉因伴星的運動而延遲。該部分介紹了不同的理論：靜態(tài)潮汐、動態(tài)潮汐、主要轉動和軌道要素的潮汐演化、達爾文理論、恒定時間和相位滯后模型以及米格納德理論等等。
Antonio Giorgilli評論了哈密頓攝動理論的現(xiàn)代工具，簡要介紹研究歷史后，提出了研究可積哈密頓系統(tǒng)微攝動動力學的問題（Poincaré稱之為一般動力學問題）。這個問題的起源可簡單歸因于對太陽系的穩(wěn)定性研究。他利用LiouvilleArnoldJost定理，對可積哈密頓系統(tǒng)的性質進行了簡要的描述，其中作用角度坐標用來描述相空間中的不變環(huán)面（invariant tori）部分。然后，對Kolmogorov的貢獻進行了解釋，這對其中一些環(huán)面（tori）是否在可積系統(tǒng)的小擾動下生存的問題給出了肯定的答案。這一結果產生了繼科爾莫哥洛夫、阿諾德和莫澤之后的所謂KAM（Kolmogorov, Arnold, Moser.）理論。并解釋了Birkhoff和Poincaré的規(guī)范形式，用于描述Kolmogorov不變環(huán)面或橢圓平衡點附近的動力學，詳細說明了同調方程中存在小除數(shù)帶來的困難。最后，給出了Nekhoroshev定理，該定理解決了復雜系統(tǒng)長時間的穩(wěn)定性問題，其證明需要對共振進行精妙的幾何分析。
Anne Lematre主要介紹了空間碎片動力學研究的基本方法，以及應用現(xiàn)代天體力學工具揭示的各種動力學現(xiàn)象特征。它在幾個不同的層次上討論了目標的動力學性質：MEO（中地球軌道）和GEO（地球同步軌道）的引力共振、日月共振和二次共振，通過計算混沌指標（MEGNO，頻率圖）某些區(qū)域的穩(wěn)定性，太陽輻射壓力對有遮蔽軌道和無遮蔽軌道的影響，低地球軌道衛(wèi)星在大氣阻力下的軌道衰減，以及雅可夫斯基沙赫效應（YarkovskySchachs effect）。文中還提出了幾種預測空間碎片群發(fā)展的方法。
Josep Maria Mondelo主要介紹了保守動力系統(tǒng)的不動點、周期軌道、不變環(huán)面及其相關的不變流形的計算。為此，提出了數(shù)值和半解析方法，討論了它們的優(yōu)點和主要區(qū)別。這些方法將應用于平動點任務的初步設計。目標之一是選擇最能滿足空間任務要求的軌道，因此，計算得到一定精度的軌跡族和不變流形非常重要。作者將受限三體問題（主要是太陽與行星或行星與自然衛(wèi)星）作為該理論的數(shù)值試驗模型。雖然這些方法被應用于這一具體問題中，但也可將它們推廣到保守動力系統(tǒng)，其中一部分甚至可以推廣到耗散動力系統(tǒng)。
Daniel Scheeres負責的部分，主要涉及N個球形天體組成的動力學系統(tǒng)，這些天體相互依賴并圍繞著彼此運行。這項研究對于理解碎石堆小行星的運動特別有意義，這些小行星由受到相互引力吸引的小塊巖石組成。N個物體的運動方程是用拉格朗日形式寫成的，它包含了物體接觸時產生的非完整約束，并總是假定為無滑移條件。利用角動量守恒和勞斯衰減（Rouths reduction），將運動放到一個合適的旋轉框架中。這一步允許我們引入修正勢，它在確定系統(tǒng)的相對平衡和討論其穩(wěn)定性方面起著至關重要的作用。該理論適用于共線物體相對靜止的情況（歐拉靜止構型Euler resting configuration）。此外，還分析了物體數(shù)目和尺寸對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
Massimiliano Vasile負責的兩個部分，分別是多目標最優(yōu)控制和不確定性量化。第一個部分研究了存在多個單標量成本函數(shù)的最優(yōu)控制問題，將問題轉化為有限維非線性規(guī)劃問題。利用帕雷托最優(yōu)（Pareto optimality）的方法求解，即如果在不使代價值變差的情況下沒有任何代價函數(shù)能被改進時，稱為帕雷托最優(yōu)。利用標量化方法可將多目標問題轉化為單目標問題。然后，采用常微分方程數(shù)值積分方法（時間有限元）和基因算法求解。書中還展示了一個測試用例，即Goddard火箭的解析解。第二部分介紹的方法可適用于廣泛的實際問題，包括了軌道力學的具體例子，從軌道確定到避免碰撞，并介紹了不確定度的分類和量化方法，綜述了基于采樣的非侵入方法（如蒙特卡羅方法、切比雪夫多項式展開等）和侵入方法（如狀態(tài)轉移矩陣描述、多項式混沌展開、區(qū)間算法），此外，還介紹了獲取模型不確定性的方法，并對基于證據(jù)的量化進行了簡要描述。
來自世界各地的大約90名學員參加了在這所學校的學習，感謝比薩大學數(shù)學系和羅馬托爾韋爾加塔大學數(shù)學系、ERC COMPAT項目、ERC StableChaoticPlanetM項目、歐洲空間局、INdAMG Gruppo Nazionale per la Fisica Matematica、意大利航天局、空間動力學服務公司（Space Dynamics Services S.r.l.）等提供的支持。2017年SDSM學校在天文學聯(lián)盟A4天體力學和動力天文學委員會和X2太陽系星歷表委員會的贊助下舉辦，并得到意大利天體力學和天體動力學學會SIMCA的推動。
意大利比薩朱利奧·巴什（Giulio Baù）
意大利羅馬萊桑德拉·埃萊蒂（Alessandra Celletti）
羅馬尼亞亞西克羅姆林·博格丹·加爾奇（Catalin Bogdan Gales）
意大利比薩喬瓦尼·費德里科·格羅奇（Giovanni Federico Gronchi）
2019年4月
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