哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第5课-空间飞行器轨道动力学下

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1、一、卫星轨道设计二、飞行器轨道摄动第五课空间飞行器轨道动力学（下）轨道设计的主要依据是卫星的飞行使命，如对地观测、通信、导航、科学试验等。设计内容包括轨道要素、选择发射时间等。下面介绍几种常用轨道。一、卫星轨道设计地球同步轨道定义：在地球赤道面内，卫星运行角速度与地球自转角速度一样的轨道。地面上看卫星相对地球是静止不动，又叫做“静止”轨道。地球同步轨道要素：轨道偏心率e=0,轨道倾角i=0轨道周期T=23小时56分04秒轨道半径a=42255km，轨道运行速度v=3.14km/s为什么不用定义升交点赤经、近地点

2、角距和真近点角？静止卫星轨道发射实例：静止卫星的发射比一般卫星复杂，现以通信技术卫星（CTS）为例叙述发射过程。这颗卫星于1976年1月17日世界时23时28分美国西靶场发射，运载火箭是德尔它2914型火箭。西靶场位于佛罗里达洲的卡纳维拉尔角，北纬28°28′。卫星定点位置是西经114°赤道面上，如图5.1所示。图5.1静止卫星由地面起飞进入转移轨道F—地心；P—转移轨道近地点；R—地球半径；AP—转移轨道远地点运载火箭先将卫星送入185km高的圆形轨道，即“停泊轨道”。卫星在停泊轨道上滑行15min将到达赤道上空。在到

3、达赤道前，第三级重新点火，对卫星加速，而火箭熄火点选在赤道面上，使卫星进入近地点在赤道的椭圆形的过渡轨道（亦称转移轨道）。过渡轨道的远地点也落在赤道面上，其远地点高度略高于同步轨道高度。卫星在过渡轨道上运行6.5圈（大约3d），对轨道和姿态进行精确测定，为下一步调整姿态与改变轨道作准备。卫星将在过渡轨道远地点改变轨道进入准地球同步轨道，把这个变轨发动机通常称为“远地点发动机”，它安装在星体纵轴上。当卫星在近地点进入过渡轨道时，发动机喷管是背向运行方向的。由于卫星在过渡轨道上以大约60r/min转的速度自旋，因此，卫星纵轴

4、在惯性空间保持定向，而在远地点的运行方向与近地点相反。为使发动机提供的速度增量能将卫星送入准地球同步轨道，应使速度增量与过渡轨道远地点速度的矢量合成速度在赤道面内，并且与卫星向径垂直，使卫星沿赤道周向运行。合成速度的量值近似为同步速度值。为此，在远地点发动机点火箭应对卫星纵轴重新定向。CTS是利用星上两个较大的助推器将纵轴在当地水平面内改变255°，以建立点火姿态。远地点发动机熄火后卫星进入周期为23小时15分钟的准同步轨道。由于这个周期值比一恒星日小，卫星运转得比地球自转快，因此，卫星相对地面缓慢地朝东移动，进入预定的

5、定点位置。卫星在飘移过程中还需进行一系列的轨道修正，使卫星在进入定点位置时的轨道周期近似为一恒星日。此后，利用星上位置保持系统，对卫星进行位置保持。同时，卫星纵轴转为垂直于赤道面，姿态控制方式也由自旋稳定转换为对地定向三轴稳定综上所述，由于地球同步轨道高、倾角为零，发射场不在赤道上，而卫星又有定点要求，因此发射静止卫星通常要经历停泊轨道、过渡轨道（亦称转移轨道）、准同步轨道与同步轨道等几个阶段。简要概括如下确定停泊轨道、转移轨道、地球同步运行轨道参数进入近地的停泊轨道，调整参数发动机点火从停泊轨道进入转移轨道发动机再次点

6、火从转移轨道进入同步轨道太阳同步轨道太阳同步轨道是指轨道面的进动与平太阳的周年视运动同步的卫星轨道。地球扁率引起升交点赤经的长期变化，变化率主要依赖于轨道倾角，也与半长轴、偏心率有关。对确定的、，选择使等于平太阳的周年视运动，即，就是太阳同步轨道。循环轨道与回归轨道如果星上轨道维持系统保证卫星轨道周期是常量的条件下，卫星每运行一定圈数后，星下点轨迹便重叠起来，则这类轨道称为“循环轨道”。显然，循环轨道的星下点轨迹是一条固定在地球表面的闭合曲线。假设星下点轨迹的升段（或降段）将所经过的纬圈等间距地分为N段，即在全球经度范围

7、内共N个间隙，则N即为星下点轨迹重叠循环的最少运行圈数。称N为“循环圈数”。卫星运行一圈后，星下点在同一纬圈上的西移度数记为，这两个星下点之间的间隙数记为。不难看出下式为：（5.1）这就是循环轨道的基本条件。若亦为太阳同步轨道，为运行圈的整天数。的循环轨道特称“回归轨道”。令可以得到三条常用的回归轨道的平均高度（即圆轨道高度）依次为282km，574km，901km。覆盖轨道某些对地观测卫星的遥感器视场在地面上的覆盖面，随卫星运行形成以星下点轨迹为中线的带形区，称为“观测带”。静止卫星的覆盖面不变，如图5.2所示。图5.

8、2静止卫星的覆盖面卫星运行一定圈数后，观测带在规定的纬度范围的，按确定的旁向重叠率要求毗连成片，构成观测区。这种轨道便是常见的“覆盖轨道”。在同一轨道上，纬度越高，重叠率也越大。完成一次覆盖所需要的圈数称为“覆盖圈数”，相应的天数称为“覆盖周期”。卫星网卫星网是由多颗卫星按一定的轨道配置组成的卫星系统，主要为地面用户