卫星轨道星座及编队

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1、第2章卫星轨道、星座及编队构形设计目录2.1卫星运动原理2.2卫星轨道要素及分类2.3卫星覆盖特性2.4星座设计2.5卫星编队构形设计本章参考文献朱立东，吴廷勇，卓永宁.卫星通信导论（第3版），北京：电子工业出版社，2009郗晓宁，王威.近地航天器基础，长沙：国防科学技术大学出版社，2003王希季，李大耀。《卫星设计学》，上海：上海科学技术出版社，1997年张乃通等，《卫星移动通信系统》，北京：电子工业出版社，2000年张更新等，《卫星移动通信系统》，北京：人民邮电出版社，2001年2.1卫星运动原理假设地球是质量

2、均匀分布的圆球体，忽略太阳、月球和其它行星的引力作用，卫星运动服从开普勒三大定律。开普勒第一定律：卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。2.1.1开普勒定律图1椭圆轨道的示意图FV为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭圆轨道的半长轴，r为卫星到地心的距离。u为开普勒常数，u值为3.9860158*1014m3/s2。对于GEO卫星，v=3.07km/s。开普勒第二定律：卫星与地心的连线在相同时间内扫过的面积相等。开普勒第三定律：卫星运转周期的平方与轨道半长轴的3次方成正比。u为开普勒常数，u值为3.9860158*1014m

3、3/s2。卫星轨道摄动产生的原因：地球引力场的不均匀性：由于地球形状不规则大气阻力太阳光压：太阳能电池帆板的表面积大太阳和月球引力2.1.2卫星轨道摄动概念：卫星在轨道运行时，由于受多种因素的影响，实际轨道会不同程度的偏离由椭圆轨道方程所确定的理想轨道，这一现象称为卫星轨道摄动。卫星的轨道面绕地轴缓慢转动近地点位置变化卫星轨道的远地点降低，长轴缩短，即运行周期缩短偏心率减小，轨道愈变愈圆卫星轨道摄动的具体表现(1)地球非球形引起的摄动，表现为：（2）大气阻力的影响（3）日月的作用由于太阳赤道面、地球赤道面、月球绕地球

4、旋转平面、黄道面都是不同的，因此围绕地球飞行的卫星受到不同引力场施加的不同方向外力，使得卫星轨道的倾角发生改变。太阳、地球和月球的空间关系示意图几个概念天球：以地球为中心，以无限长为半径的球体。过天球中心作一平面与天轴垂直，该平面称为天赤道面；天赤道面与天球相交的大圆称为天赤道。黄道面：地球围绕太阳的公转轨道所在平面。由于其它行星等天体的引力对地球影响，黄道面的空间位置有持续的不规则变化，但其总是通过太阳中心。黄道：黄道面和天球相交的大圆。春分点：赤道平面和黄道的两个相交点的一个。太阳相对地球从南向北移动，在春分那一

5、天穿越这一交点。太阳、地球、月球的空间关系太阳、地球和月球的空间关系示意图黄道面与太阳赤道平面间有大约7.3°的倾角，与地球赤道平面间有大约23°的倾角；月球围绕地球旋转的平面与地球赤道面间有大约5°的倾角。地心惯性坐标系地心惯性坐标系：以地心O为原点，X轴和Y轴确定的平面与赤道平面重合，X轴指向春分点方向；Z轴与地球的自转轴重合，指向北极点。地心坐标系中的X、Y、Z轴构成一个右手坐标系。2.2卫星轨道要素及分类卫星轨道要素卫星轨道分类2.2.1卫星的轨道要素轨道平面倾角i轨道的半长轴a轨道的偏心率e升节点位置近地

6、点幅角卫星初始时刻的位置图3轨道参数图轨道平面倾角i：轨道平面与赤道平面的夹角轨道的偏心率e：对于椭圆轨道，是两个焦点之间的距离与长轴之比。升节点位置（又称为升交点赤经）：从春分点到地心的连线和从升节点到地心的连线之间的夹角。近地点幅角：从升节点到地心的连线与卫星近地点和地心连线的夹角。卫星初始时刻的位置：卫星在初始时刻到地心的连线与升节点到地心连线之间的夹角。其中是初始时刻卫星在轨道内的幅角，从升节点位置开始计算。下面讨论的卫星轨道要素是指单颗卫星。在卫星轨道的六个要素中，轨道倾角和升节点位置

7、决定轨道平面在惯性空间的位置，近地点幅角决定轨道在轨道平面内的指向，轨道半长轴和轨道偏心率决定轨道的大小和形状。对于圆轨道，只需要四个轨道参数，即轨道高度、轨道倾角、升节点位置和某一特定时刻卫星在轨道平面内距升节点的角距。2.2.2卫星轨道分类按卫星轨道的倾角分按卫星轨道的偏心率分按轨道的高度分按卫星轨道的重复特性分按卫星轨道的倾角大小分卫星轨道的倾角是指卫星轨道面与赤道平面的夹角。赤道轨道：轨道倾角为0度，轨道面与赤道面重合。极轨道：轨道倾角为90度，轨道平面通过地球南、北极，与赤道平面垂直。顺行轨道：轨道倾角大于

8、0度而小于90度，将这种卫星送入轨道，运载火箭需要朝偏东方向发射。利用地球自西向东自转的一部分速度，从而节省运载火箭的能量。逆行轨道：轨道倾角大于90度而小于180度，将这种卫星送入轨道，运载火箭需要朝偏西方向发射。不能利用地球自转速度来节约运载火箭的能量，反而要付出额外的能量去克服一部分地球自转速度。图6不同倾角的卫星轨道太阳同步轨道：当卫星