卫星轨道基础探讨.pdf

合成孔径雷达基础及应用合成孔径雷达基础及应用合成孔径雷达基础及应用合成孔径雷达基础及应用 中国科学院电子学研究所 2008年年10月月8日日 主要内容 卫星轨道的基本知识 星载SAR空间坐标转换 卫星轨道基本知识 卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道 位置和状态的参数称为轨道参数。 ?基本概念基本概念 ?轨道描述轨道描述 ?轨道位置的计算轨道位置的计算 1.基本概念 概述概述 G=f：第一宇宙速度G=f：第一宇宙速度 圆轨道圆轨道 椭圆轨道椭圆轨道 逃逸速度：逃逸速度： 抛物线轨道抛物线轨道 （人造卫星）（人造卫星） 第三宇宙速度：第三宇宙速度： 双曲线轨道双曲线轨道 （银河系飞行）（银河系飞行） 1.基本概念 轨道示意轨道示意 1.基本概念 轨道分类轨道分类 ?太阳同步轨道、非太阳同步轨道 ?远地轨道、中高度轨道、近地轨道 近地轨道：低轨道（500公里以下） 中轨道（500-2000公里） 中高度轨道：10000公里左右 ?顺行轨道、逆行轨道 ?地球同步轨道 1.基本概念 轨道倾角轨道倾角 ?倾角=0：赤道轨道 当轨道高度=35786公里，地球同步，为静止轨道 ?倾角=90：极地轨道 ?卫星到达南北极的纬度等于轨道倾角（顺行轨道）或（180-轨 道倾角）（逆行轨道） ?偏心率 ?轨道偏心率越小，卫星运动速度变化越小 1.基本概念 太阳同步轨道太阳同步轨道 ?卫星轨道面进动方向与地球公转方向相同，且进动速率等于等 于地球公转平均角速率的轨道 ?特点：太阳照射轨道面的方向一年内基本不变 ?优点： 卫星太阳照射角变化最小 太阳能源接收量变化最小 同纬度星下点的地方平太阳时变化最小 同纬度星下点的照度变化最小 地影时间变化最小 1.基本概念 轨道回归特性轨道回归特性 ?特点：星下点轨迹的周期性重叠 1.基本概念 轨道回归特性轨道回归特性 Landsat4/Landsat5 轨道高度：705.3km 轨道半长轴：7083.465km 周期：98.9分钟 轨道倾角：98.22 一天内覆盖地球：地球14 圈 16 9 1.基本概念 轨道回归特性轨道回归特性 1.基本概念 重复观测周期重复观测周期 Q: 轨道圈数 D：回归周期 总圈数： N QI D = KI D N= + 1.基本概念 重复观测周期重复观测周期 D和和N的选择：的选择： 3 2 24 3600 e ah R a T Q T = + = = 600700 6971.237071.23 96.54 min98.63min 14.6/14.92/ kmhkm kmakm T Q 圈 天圈 天 1 4 2 9 I D = = 423.40432.68K 18,19,20,21,22,23,24,25,26N= 2.轨道描述 开普勒轨道参数开普勒轨道参数 ? 轨道倾角 ? 轨道偏心率 ? 轨道长半轴 ? 近地点幅角 ? 升交点赤经 ? 真近心角 2.轨道描述 春分点春分点 天球天球 天极天极 黄道黄道 2.轨道描述 天球直角坐标系天球直角坐标系 原点位于地球的质心，z 轴指向天球的北极NCP，x轴 指向春分点，y轴与x、z轴构 成右手坐标系 2.轨道描述 升交点升交点/降交点降交点 ?交点线与轨道两交点中交点线与轨道两交点中Z坐标由负 变正的交点定义为升交点，而另一 个交点定义为降交点 坐标由负 变正的交点定义为升交点，而另一 个交点定义为降交点 ?轨道倾角 ?轨道平面与赤道平面的夹角（定义 在0180度），小于90度的轨道倾 角对应向东运动叫顺行，而大于90 度的轨道倾角对应向西运动叫逆行 ?卫星能够到达的最大南北纬度正好 等于它的轨道倾角 2.轨道描述 近地点近地点/远地点远地点 fe ea r cos1 )1 ( 2 + = 卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一 个焦点与地球质心重合(开普勒一定律) 2.轨道描述 近地点近地点/远地点远地点 卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。表明卫星 在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的，在近地点处速度最 大，在远地点处速度最小(开普勒二定律)。 近地点 地心 远地点 2.轨道描述 开普勒第三定律开普勒第三定律 ?卫星运行周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常 量，等于GM的倒数。 ?假设卫星运动的平均角速度为n，则n=2/Ts，可得 ?当开普勒椭圆的长半径确定后，卫星运行的平均角速度也随之确 定，且保持不变。 GMa Ts 2 3 2 4 = 2/1 3 = a GM n 3.轨道位置的计算 真近点角真近点角 E偏近点角偏近点角 M平近点角平近点角 M = n ( t - t0 )， E = M + esinE 真近点角真近点角 3.轨道位置的计算 轨道平面直角坐标系轨道平面直角坐标系 取直角坐标系的原点与地球质心相重合，取直角坐标系的原点与地球质心相重合，s s轴指向近地点、轴指向近地点、s s轴垂直于轨 道平面向上 , 轴垂直于轨 道平面向上 , s s轴在轨道平面上垂直于轴在轨道平面上垂直于s s轴构成右手系，则卫星在任意时刻 的坐标为 轴构成右手系，则卫星在任意时刻 的坐标为 = 0 sin cos f f r s s s 3.轨道位置的计算 天球坐标系下轨道的位置天球坐标系下轨道的位置 天球坐标系（x,y,z）与轨道平面坐标系 ( 天球坐标系（x,y,z）与轨道平面坐标系 (s s, , s s, , s s)的转换具有相同的原点，差别在 于坐标系的定向不同，为此需将轨道坐标系作 如下旋转： )的转换具有相同的原点，差别在 于坐标系的定向不同，为此需将轨道坐标系作 如下旋转： ? 绕绕s s轴顺转角度使轴顺转角度使s s轴的指向 由近地点改为升交点。 轴的指向 由近地点改为升交点。 ? 绕绕s s轴顺转角度i，使轴顺转角度i，使s s轴与z轴 重合。 轴与z轴 重合。 ? 绕绕s s轴顺转角度，使x轴与轴顺转角度，使x轴与s s轴 重合。 轴 重合。 cos () ( ) ()sin 0 xrf yRR i Rrf z = = 100 0cossin 0sincos )(R = ii iiiR cossin0 sincos0 001 )( = 100 0cossin 0sincos )( R 3.轨道位置的计算 不转动地球直角坐标系不转动地球直角坐标系/天球直角坐标系天球直角坐标系 天球是以地球质心为中心，半径r为任意长度的球体；天球是以地球质心为中心，半径r为任意长度的球体； 地球自转轴的延伸直线为天轴地球自转轴的延伸直线为天轴 地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面 不转动地球直角坐标系不转动地球直角坐标系 Z轴指向地球北极，轴指向地球北极，X轴指向春分点，轴指向春分点，Y轴与轴与X、Z形成右手螺旋关系形成右手螺旋关系 不转动直角坐标系与地球自转无关不转动直角坐标系与地球自转无关 3.轨道位置的计算 不转动地球直角坐标系下卫星位置、速度、加速 度 不转动地球直角坐标系下卫星位置、速度、加速 度 cos ()()()sin 0 xrf yRRi Rrf z = () 2 sin () ( ) ()cos 1 0 x y z vf vRR i Ref ae v =+ () 2 2 22 cos () () ()(1cos)sin 1 0 x y z Af ARRi Reff ae A =+ 3.轨道位置的计算 卫星位置、速度、加速度的仿真卫星位置、速度、加速度的仿真 星载SAR空间坐标转换 星载SAR空间几何坐标关系是合成孔径雷达几何 点定位的基础。 ?星载星载SARSAR几何坐标系几何坐标系 ?坐标转换坐标转换 ?多普勒参数的计算多普勒参数的计算 1.星载SAR几何坐标系 转动的地心直角坐标系 不转动地心直角坐标系 轨道平面直角坐标系 卫星平台坐标系 卫星星体坐标系 天线坐标系 1.星载SAR几何坐标系 转动的地心直 角坐标系 不转动地心直 角坐标系 1.星载SAR几何坐标系 轨道平面直角坐标系 卫星平台坐标系 1.星载SAR几何坐标系 卫星星体坐标系 1.星载SAR几何坐标系 天线坐 标系 2.坐标转换 空间坐标转换 转动的地心坐标系，不转动的地心坐标系，卫星轨道平面坐标系， 卫星平台坐标系,卫星星体坐标系和天线坐标系 2.坐标转换 转动地心坐标系/不转动地心坐标系 2.坐标转换 不转动地心坐标系/轨道平面坐标系 2.坐标转换 轨道平面坐标系/卫星平台坐标系 2.坐标转换 卫星平台坐标系/卫星星体坐标系 = rr rr pp pp yy yyer A cos0sin 010 sin0cos 100 0cossin 0sincos cossin0 sincos0 001 2.坐标转换 卫星星体坐标系/天线坐标系 = LL LLea A cossin0 sincos0 001 3.多普勒参数的计算 多普勒中心频率/多普勒调频率 (,)s sxsysz Aaaa= ),( sss szyxR = ),( zsysxs svvvV= tetRV= ),( ttt tzyxR = R VVRR f tst s d )()(2 = 22 3 ()() ()() ()2 ststs