火星是距离地球最近的类地行星之一，对火星的探测有助于认知太阳系各行星的演化规律、探寻生命起源，是世界各国深空探测的热点。本书以火星探测为背景，从火星精确转移轨道优化、低能量捕获轨道设计、着陆轨迹优化与制导控制、火星系统内探测的轨道设计等方面，总结和梳理了该领域的最新研究进展与成果。本书紧密结合火星探测的任务背景与工程约束，既介绍了轨道动力学的基础理论，又介绍了新颖的轨道设计思想和方法。
本书的主要适合读者为从事火星探测等深空探测领域研究的相关科研院所的专业技术人员和飞行器设计相关专业的研究生。

乔栋，北京理工大学教授，北京理工大学宇航学院副院长，青年长江学者，国家重点研发计划项目首席科学家，飞行器动力学与控制教育部重点实验室副主任。主要从事航天器轨道动力学与控制方向的研究，在复杂深空环境多天体系统轨道动力学与控制领域取得重要成果，为国家探月工程、行星探测工程的论证与实施提供重要支撑。先后主持国家重点研发计划项目、国家自然基金原创探索项目等10余项，获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖及二等奖5项，在The AIAA Journal of Guidance, Control, and Dynamics、Acta Astronautica、《中国科学》等国内外期刊发表论文100余篇，以第一发明人获授权发明专利30余项，以第一作者撰写专著2部。

第1章 火星系统概况
1.1 火星探测的意义
1.2 火星系统特性
1.2.1 火星的基本物理特征
1.2.2 火星气候环境与地形地貌
1.2.3 火星的卫星
1.3 火星探测任务
参考文献
第2章 火星探测转移轨道基础理论
2.1 火星探测中的时间系统
2.1.1 时间系统
2.1.2 时间系统之间的转换
2.2 火星探测中的坐标系统及其转换
2.2.1 地心坐标系统
2.2.2 日心坐标系统
2.2.3 火心坐标系统
2.3 火星探测中的二体轨道力学理论
2.3.1 二体动力学方程
2.3.2 二体问题的积分常数
2.3.3 开普勒方程求解
2.3.4 位置、速度矢量与轨道根数
2.4 火星探测中的基本轨道设计方法
2.4.1 兰伯特问题
2.4.2 引力影响球
2.4.3 圆锥曲线拼接原理
参考文献
第3章 火星探测脉冲转移轨道设计与优化
3.1 火星探测发射机会搜索
3.1.1 双曲逃逸轨道参数
3.1.2 发射机会搜索的等高线图法
3.1.3 火星探测发射机会分析
3.2 火星探测多脉冲转移轨道优化设计
3.2.1 最优多脉冲转移的主矢量方法
3.2.2 考虑发射约束的多脉冲主矢量优化方法
3.2.3 火星探测多脉冲转移轨道设计与分析
3.3 火星探测脉冲转移轨道的精确设计
3.3.1 精确转移轨道设计问题描述
3.3.2 火星探测精确转移轨道设计方法
3.3.3 火星探测精确转移轨道设计实例与分析
3.4 火星探测转移轨道中途修正策略
3.4.1 火星探测转移轨道中途修正方法
3.4.2 火星探测转移轨道中途修正实例分析
参考文献
第4章 火星探测连续小推力转移轨道设计与优化
4.1 连续小推力转移轨道优化设计问题描述
4.1.1 连续小推力转移轨道动力学模型
4.1.2 连续小推力转移轨道优化设计问题描述
4.2 火星探测连续小推力转移轨道优化设计的配点法
4.2.1 标准配点轨道优化设计方法
4.2.2 基于笛卡儿模型的改进配点法
4.2.3 基于配点法的火星探测连续小推力转移轨道设计实例
4.3 火星探测连续小推力转移轨道优化设计的同伦法
4.3.1 燃料最省转移轨道最优控制律设计
4.3.2 同伦连续打靶方法
4.3.3 基于同伦法的火星探测连续小推力转移轨道设计实例
4.4 火星探测连续小推力转移轨道凸优化方法
4.4.1 燃料最优小推力轨道优化问题的构建
4.4.2 小推力轨道凸优化方法及求解
4.4.3 基于凸优化的火星探测连续小推力转移轨道设计实例
参考文献
第5章 火星探测的捕获轨道设计
5.1 采用脉冲方式的火星探测直接捕获轨道设计
5.1.1 火星探测最优单次脉冲捕获轨道设计方法
5.1.2 火星探测最优多次脉冲捕获轨道设计方法
5.2 采用有限推力方式的火星捕获轨道设计
5.2.1 有限推力捕获轨道设计问题建模
5.2.2 有限推力捕获轨道优化设计方法
5.2.3 火星探测有限推力捕获轨道设计实例与分析
5.3 火星探测气动捕获轨道设计
5.3.1 火星探测气动捕获动力学建模
5.3.2 火星探测气动捕获进入走廊评估
5.3.3 火星探测气动捕获轨道参数分析
5.3.4 火星探测最优气动捕获轨道设计
参考文献
第6章 基于多体系统的火星探测低能量捕获轨道设计
6.1 日火三体系统
6.1.1 三体系统轨道动力学
6.1.2 日火三体系统平衡点
6.1.3 日火平衡点附近的周期轨道
6.2 基于日火系统平衡点的火星探测低能量捕获轨道设计
6.2.1 基于日火系统平衡点的低能量捕获速度增量分析
6.2.2 日火平衡点停泊轨道参数分析
6.2.3 基于日火平衡点的火星探测低能量捕获轨道设计实例与分析
6.3 基于日火系统稳定集的火星探测低能量捕获轨道设计
6.3.1 日火系统的弱稳定边界
6.3.2 日火系统轨道的稳定集
6.3.3 基于稳定集的火星探测低能量捕获轨道设计实例与分析
6.4 利用流形拼接的地火平衡点转移轨道设计
6.4.1 三体系统平衡点轨道转移设计
6.4.2 基于平衡点流形拼接的地火转移轨道设计实例与分析
参考文献
第7章 火星着陆探测轨迹优化设计与制导控制
7.1 火星着陆探测过程分析与动力学建模
7.1.1 火星着陆探测过程概述
7.1.2 火星大气进入轨迹动力学模型
7.1.3 火星大气进入轨迹的影响因素分析
7.2 火星大气进入轨迹的优化设计
7.2.1 火星大气进入轨迹优化设计方法
7.2.2 考虑横程范围的火星大气进入轨迹优化设计
7.2.3 考虑开伞约束的火星大气进入轨迹优化设计
7.2.4 考虑复杂路径约束的火星大气进入轨迹优化设计
7.3 火星探测大气进入制导方法
7.3.1 火星大气进入方式分析
7.3.2 火星大气进入轨迹跟踪制导方法
7.3.3 火星大气进入预测校正制导方法
7.4 火星着陆伞舱组合体动力学建模与稳定控制
7.4.1 火星着