卫星轨道计算.ppt

第2章 卫星轨道 张燕 zy29209@163.com 第2章 卫星轨道 2.1 卫星轨道特性 2.2 卫星的定位 2.3 卫星覆盖特性计算 2.4 卫星轨道摄动 2.5 轨道特性对通信系统性能的影响 2.1 卫星轨道特性 2.1.1 开普勒定理 卫星运行的轨迹和趋势称为卫星运行轨道。 卫星视使用目的和发射条件不同，可能有不同高度和不同形状的轨道，但它们有一个共同点，就是它们的轨道位置都在通过地球垂心的一个平面内。卫星运动所在的平面叫轨道面。卫星轨道可以是圆形或椭圆形。但不论轨道形状如何，卫星的运动总是服从万有引力定律的。 为了推导卫星运动规律，做如下假设 卫星被视为点质量物体； 地球是一个理想的球体，质量均匀； 卫星仅仅受地球引力场的作用，忽略太阳、月球和其它行星的引力作用。 由此导出卫星运动的三个定律（开普勒三大定律）。 假设地球是质量均匀分布的圆球体，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(椭圆定律)：卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。 S是卫星，C是椭圆中心，O是地心，地心位于椭圆轨道的两个焦点之一； a为轨道半长轴，b为轨道半短轴，c为半焦距，是地心离椭圆中心的距离； rE为地球平均半径，常用取值6378km； r为卫星到地心的瞬时距离，r取值最大点称为远地点，r取值最小的点称为近地点。 ?是卫星—地心连线与地心近地点连线的夹角，是卫星在轨道面内相对于近地点的相位偏移量。 为了描述轨道特性，使用如下参量 偏心率e：椭圆焦点离开椭圆中心的比例，即椭圆焦距和长轴长度的比值。它决定了椭圆轨道的扁平程度。 远地点：卫星离地球最远的点，长度为 远地点高度即卫星在远地点时距离地面的高度 推导卫星轨道平面的极坐标表达式为： 开普勒第二定律(面积定律) ：卫星与地心的连线在相同时间内扫过的面积相等。 由第二定律可导出卫星在轨道上任意位置的瞬时速度为： 对于圆轨道，理论上卫星将具有恒定的瞬时速度 例1 我国第一颗人造地球卫星的近地点高度hA=439km，远地点高度hB=2384km。试求其轨道方程。公转周期、远地点和近地点的瞬时速度v(rmax)和v(rmin)。已知地球半径R=6378km。 例2 已知地球半径R=6378km，静止卫星的周期T=24恒星时=23h56min4.09s(平均太阳时),求卫星离地面高度h和匀速圆周运动速度v。 2.1.2 卫星轨道分类 1、按形状分类 椭圆轨道 偏心率不等于0的卫星轨道，卫星在轨道上做非匀速运动，适合高纬度地区通信 圆轨道 具有相对恒定的运动速度，可以提供较均匀的覆盖特性，适合均匀覆盖的卫星系统 2、按倾角分类 卫星轨道平面与赤道平面的夹角，称为卫星轨道平面的倾角，记为i。 赤道轨道。i=0?，轨道面与赤道面重合；静止通信卫星就位于此轨道平面内。 极地轨道。i=90?，轨道面穿过地球南北极。 倾斜轨道。轨道面倾斜于赤道。根据卫星运动方向和地球自转方向的差别分为 顺行倾斜轨道，0? i90? 逆行倾斜轨道，90? i180? 3、按高度分类 根据卫星运行轨道距离地面的高度h，可分为 低轨道 (LEO)：500h2000km 中轨道 (MEO)：8000kmh20000km 静止/同步轨道(GEO)：h=35786km。 高轨道(HEO)：h20000km，椭圆轨道，远地点可达40000km 太阳日和恒星日的概念 太阳日：以太阳为参考方向时，地球自转一圈所用的时间，长度为24小时 恒星日：以无穷远处的恒星为参考方向时，地球自转一圈所用的时间，长度小于太阳日长度，为23小时56分04秒 4、按轨道周期分类 由于地球的自转特性，卫星绕地球旋转一圈后，不一定会重复前一圈的轨迹，因此可以根据星下点轨迹的重复特性对卫星轨道分类 回归/准回归轨道 卫星的星下点轨迹在M个恒星日，绕地球旋转N圈后重复的轨道 M,N为整数，M=1为回归轨道，M1为准回归轨道。 轨道周期为M/N恒星日 非回归轨道 同步轨道卫星和静止轨道卫星 卫星运行的方向和地球自转的方向相同，运行周期与地球自转周期（23小时56分4秒，即1恒星日）相同的轨道称为地球同步卫星轨道（简称同步轨道）。 而在无数条同步轨道中，有一条圆形轨道，它的轨道平面与 地球赤道平面重合，倾角为0?，这条轨道就称为地球静止卫星轨道，高度大约是35786公里。在这个轨道上的所有卫星，从地面上看都像是悬在赤道上空静止不动，这样的卫星称为地球静止轨道卫星，简称静止卫星。人们通常简称的同步轨道卫星一般指的是静止卫星。 卫星通信示意图 三颗静止卫星就可基本覆盖全球，其应用较为广泛，但地球上空的静止轨道只有一条，轨道资源较为紧张。因此，国际电信联盟(ITU)鼓励采用对地倾斜同步轨道(IGSO)。 例如，我国北斗二代卫星导航系统同