人造卫星轨道概论.ppt

第二讲人造地球卫星轨道概论 2 回顾与提问 1 简述现代小卫星的定义 2 世界上第一颗人造地球卫星是由哪国何时发射的 我国第一颗人造卫星是何时发射的 叫什么名字 3 小卫星由哪两大部分组成 分别完成什么功能 4 小卫星有效载荷分为哪四大类 5 现代小卫星相比于传统大卫星的特点是什么 两者都得到迅速发展的原因是什么 第一节引言 4 指在外层空间中环绕地球至少运动一圈的航天器 由若干个功能不同而又相互作用和相互依赖的分系统组成的整体 卫星要实现其特定的对地面服务功能 必须要使卫星达到并运行于某一适合任务需求的空间轨道 在单颗卫星不足以满足任务需求的情况下 还要由多颗卫星按一定的关系组成星座 第二讲卫星轨道概论 第一节引言 人造地球卫星 5 原则 满足卫星执行的飞行任务的需求 适应卫星的外部环境 可为卫星及其各分系统的功能实现创造良好的条件 主要设计指标 地面覆盖要求 轨道复现要求 地面分辨率 或地面功率通量密度 要求 覆盖重叠要求 工作寿命要求 卫星轨道设计的基本原则及指标 第二讲卫星轨道概论 第一节引言 6 影响卫星轨道设计的外部环境 工程环境 如运载火箭 发射场 测控 应用环境等 运行环境 如外层空间环境 电磁环境等 返回环境 技术环境 经济环境 内部结构设计等 第二讲卫星轨道概论 第一节引言 第二节有关人造地球卫星运行轨道的基本概念 8 1 人造地球卫星运行轨道的基本概念 卫星以一定规律环绕地球作高速运动时 其质心运动的轨迹称为人造地球卫星轨道 人造卫星在轨道上运动时 如果忽略太阳 月亮 其它星体和外层大气等其它因素的影响 并且把卫星和地球都等效为一个质点 则卫星在地球重力作用下的运动服从开普勒分别在1609年 第一和第二定律 和1619年 第三定律 导出的三大定律 即 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 9 第一定律 椭圆律 卫星运行的轨道是一个椭圆 而该椭圆的一个焦点位于地球的质心上 该椭圆称为开普勒椭圆 其形状大小不变 在椭圆轨道平面上 卫星离地心最远的一点称为远地点 而离地心最近的一点称为近地点 开普勒三定律 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 10 人造卫星的运动轨道及有关参数定义 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 11 第二定律 面积律 连接地心与卫星质心的直线在相同时间内扫过相等的面积 开普勒三定律 地球 E t1 t1 t t2 t t2 S1 S2 S1 S2 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 12 第三定律 周期律 卫星运转周期的平方正比于卫星到地球平均距离 即轨道半长轴 的立方 或者说卫星运转周期的平方与卫星到地球平均距离的立方之比为一常数 而该常量等于地球引力常数GM的倒数 表达式为 或 开普勒三大定律 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 13 2 黄道与天球赤道 黄道 地球围绕太阳旋转的公转面天球赤道 地球的赤道面 垂直于地球的自转轴 14 春分点 春分点和秋分点 黄道与天球赤道相交两点 分别为春分点和秋分点 每年3月21日前后 太阳在黄道上由南向北运动时 黄道与天球赤道的交点称为春分点 每年9月23日前后 太阳在黄道上由北向南运动时 黄道与天球赤道的交点称为秋分点 当太阳运行到春分点时 即为春分 天文学上规定春分为北半球春季开始 黄道上距离天球赤道最远的两点分别称为夏至点和冬至点 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 15 3 空间参考坐标系 空间参考坐标系是描述卫星运动轨道 表示飞行器运动状态的数学物理基础 常用的空间参考坐标系有两类 惯性坐标系 在空间固定的 与地球自转无关 它在空间的位置和方向应保持不变或仅作匀速运动 对描述各种飞行器的运动状态极为方便 与地球固联的坐标系 对于描述飞行器相对于地球的运动尤为方便 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 16 地心惯性坐标系 ECI 坐标原点在地球中心 xy平面取为与地球的赤道面重合 x轴指向春分点方向 z轴取与xy平面垂直且指向北极的方向 y轴的取向选为与x z轴形成右手坐标系 ECI坐标系是一种惯性系 即地球是一个以z轴为自转轴的转动的球体 而地球以外的天体的运动是满足惯性定律的 对于卫星 服从牛顿运动定律和重力定律 ECI坐标系有时也叫地心赤道坐标系 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 17 地心惯性坐标系 ECI 18 地心地固坐标系 ECEF 地心是坐标原点 x轴指向0 经线 即格林尼治子午线与赤道交点 方向 而y轴指向东经90 的方向 z轴指向地理北极 三者形成右手坐标系 在ECEF坐标系中 x轴和y轴随着地球一起旋转 在惯性空间中不再描述固定的方向 因此 卫星轨道面相对于ECEF坐标系将每天自东向西旋转一周 对于地球上的目标 一般是在ECEF坐标系中表示其经度 纬度和高度信息 ECEF坐标系有时也叫地心直角坐标系 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 19 A E N 北极 赤道 格林尼治 地心 O B C 子午线 基准子午线 地理位置的经纬度表示地球上某一点A的经度 E 和纬度 N 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 20 4 轨道六要素 在ECI坐标系中 卫星在万有引力的作用下沿着轨道的运动可用下列6个轨道要素描述 确定任何时刻卫星在空间的位置 轨道倾角i 用于确定轨道面的位置升交点赤经 用于确定轨道面的位置近地点幅角w 用于确定轨道在轨道面内的指向轨道半长轴a 用于确定轨道的大小轨道偏心率e 用于确定轨道的形状卫星过近地点的时刻tp或真近点角f 用于确定卫星在轨道上的位置 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 21 1 轨道倾角i 在升交点位置测量到的向北方向的轨道面与赤道面之间的夹角 取值范围是0 描述轨道平面在空间的方向 升交点 卫星由南向北穿过赤道时卫星轨道与赤道面的交点 降交点 卫星由北向南穿过赤道时卫星轨道与赤道面的交点 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 22 2 右旋升交点赤经 是卫星轨道面和赤道面的交线与地心和春分点连线间的夹角 它是描述轨道平面在空间方向的另一个参数 其取值范围是0 2 春分点方向是指在春季第一天连接地心和太阳中心的直线的方向 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 23 3 近地点幅角 轨道面内近地点到升交点的地心夹角 用于确定轨道在轨道面内的指向 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 24 4 半长轴a 用于描述椭圆轨道的大小 等于远地点与近地点之间距离的一半 5 偏心率e 用于说明轨道的形状 等于椭圆半焦距与半长轴之比 a b 近地点 远地点 地心 轨道半长轴和偏心率 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 25 6 卫星过近地点的时刻tp或真近点角f 用于确定卫星在轨道上的位置 tp 以卫星经过近地点的时刻为基准 卫星在轨道上的运行时间 f 近地点与卫星相对地心的角度 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 26 地心惯性坐标系和卫星轨道要素的空间关系 27 星下点及其轨迹 星下点 卫星在地球表面的投影 即卫星和地心的连线在地球表面的交点 星下点轨迹 人造地球卫星运动和地球自转使星下点在地面移动所画出的轨迹 卫星运行的轨道不同 星下点轨迹也不同 并且 由于地球在不停地自转 卫星在沿椭圆轨道围绕地球运行时 其后一圈运行的星下点轨迹一般不再重复前一圈运行的星下点轨迹 第二讲卫星轨道概论 第二节运行轨道的基本概念 28 共地面轨迹星座星下点轨迹 第三章轨道与星座设计 第四节卫星星座设计实例 第三节卫星轨道的摄动 30 卫星轨道的摄动 在理想的条件下 卫星运动轨道满足开普勒三定律 但卫星在轨道上运动时 还会受到其它一些次要因素的影响 使得卫星运动的实际轨道不断发生不同程度地偏离由开普勒定律所确定的理想轨道 这一现象称为摄动 引起卫星轨道发生摄动的几种力学因素有 地球引力场的不均匀性 地球不是标准的圆 赤道半径要比极半径大约22公里 大气阻力 太阳光压 日 月的作用 第二讲卫星轨道概论 第三节卫星轨道的摄动 31 卫星轨道摄动对轨道参数的影响 摄动对确定轨道面的参数产生影响摄动对轨道在轨道面中定位的参数产生影响 卫星摄动轨道赤经 近地点及倾角示意 yECI xECI zECI 倾角变化 赤经变化 近地点幅角变化 其它不规则摄动 第二讲卫星轨道概论 第三节卫星轨道的摄动 32 卫星轨道的摄动分析 地球引力场不均匀性引起的摄动主要表现在两个方面 使卫星的轨道面围绕地球自转轴缓慢转动 引起轨道面的进动 即升交点位置变化 进动方向与卫星运行方向相反 使近地点位置 近地点幅度 变化 使近地点飘移 椭圆轨道升交点赤经和近地点幅角的平均变化率分别为 第二讲卫星轨道概论 第三节卫星轨道的摄动 第四节卫星轨道分类和特点 34 1 按轨道偏心率分类 圆轨道 偏心率等于零的轨道 偏心率接近于零的近圆轨道 有时也称为圆轨道 椭圆轨道 偏心率在0和1之间的轨道 偏心率大于0 2时 称为大椭圆轨道 第二讲卫星轨道概论 第四节轨道分类和特点 35 2 按轨道倾角分类 顺行轨道 轨道倾角在0 和90 之间的轨道 即卫星运动方向与地球自转方向相同 逆行轨道 轨道倾角在90 和180 之间的轨道 即卫星运动方向与地球自转方向相反 赤道轨道 轨道倾角等于0 或180 的轨道 一般指轨道倾角为0 的情况 极地轨道 轨道倾角等于90 的轨道 工程上常把倾角在90 附近的轨道也称为极地轨道 倾斜轨道 介于赤道轨道和极地轨道之间的轨道 包括了顺行轨道和逆行轨道 第二讲卫星轨道概论 第四节轨道分类和特点 36 按轨道倾角划分的各类轨道的示意图 第二讲卫星轨道概论 第四节轨道分类和特点 37 3 按卫星所处轨道高度分类 低轨道 LEO 指轨道高度低于5000km的轨道 中轨道 MEO 指轨道高度介于5000km和20000km之间的轨道 高轨道 HEO 指轨道高度高于20000km的轨道 第二讲卫星轨道概论 第四节轨道分类和特点 38 4 按轨道面进动角速度分类 太阳同步轨道 指轨道平面绕地球自转轴旋转的 旋转方向与地球公转方向相同 旋转角速度等于地球公转的平均角速度 360 年或0 9856 日 的轨道 非太阳同步轨道 不满足上述条件的 对于太阳同步轨道 满足下式 第二讲卫星轨道概论 第四节轨道分类和特点 39 太阳同步轨道 低高度圆形太阳同步轨道近似为极轨道 并且倾角大于90 因此太阳同步轨道是逆行轨道 否则其旋转方向不可能与地球公转方向相同 由于公式左侧的最小值为 1 故圆形太阳同步轨道距地球的高度不超过6000km 由于地球上任何地点在一天当中 太阳光照的方向和强度是不同的 对于依靠光学仪器观测地面目标的卫星 要求每天都能在同样的光照条件下进行观测 以便于判断目标的细微变化 获得准确的信息 经过适当的设计 在太阳同步轨道上运行的卫星能在同样的光照条件下飞经同一地点 再通过选择适当的发射时间 让卫星每天都在比较好的光照条件下飞经某一特定区域的上空 就可以获得这个地区的高质量信息 对地观测卫星一般采用这种轨道 第二讲卫星轨道概论 第四节轨道分类和特点 40 5 按星下点轨迹的循环性 或重复性 分类 回归轨道 星下点轨迹逐日重复的轨道 准回归轨道 星下点轨迹间隔N 正整数 日后进行重复的轨道 当N 1时就是回归轨道 非回归轨道 星下点轨迹不周期性重复的轨道 如果卫星采用回归 或者准回归 轨道 则卫星经过一个 或者N个 恒星日后 就会回到起点位置 这对于星历预报 卫星操作和控制 卫星应用 系统性能的充分发挥等有着重要价值 第二讲卫星轨道概论 第四节轨道分类和特点 41 6 按轨道周期与地球自转周期的关系分类 地球同步轨道 GSO 卫星轨道周期与地球自转周期 23小时56分04秒 相同的顺行轨道 卫星每天在相同的时间经过相同的区域上空 地球同步轨道有无数条 对地静止轨道 GEO 轨道倾角与偏心率均等于零或接近于零的地球同步轨道 准对地静止轨道 卫星轨道周期与地球自转周期近似相等 卫星轨道倾角和偏心率等于零或接近于零的顺行轨道 也称为准地球同步轨道 非地球同步轨道 NGSO 卫星轨道周期与地球自转周期不相等的轨道 第二讲卫星轨道概论 第四节轨道分类和特点 42 7 按近地点幅角变化与否分类 临界倾角轨道 当轨道倾角为63 4 或116 6 时 近地点幅角的平均变化率为零 即 此时 近地点幅角基本不变 轨道倾角与临界倾角相近的轨道称为近临界倾角轨道 非临界倾角轨道 轨道倾角不为临界倾角的轨道 采用大偏心率的临界倾角轨道或近临界倾角轨道 可以使卫星长时间停留在远地点附近 从而在一些特殊应用中能够更好地发挥卫星的效能 前苏联的 闪电 通信卫星采用的就是这种临界倾角轨道 第二讲卫星轨道概论 第四节轨道分类和特点 43 各种类型的卫星轨道 第二讲卫星轨道概论 第四节轨道分类和特点 第五节范 阿伦辐射带和卫星轨道高度窗口 45 范 阿伦辐射带 是指在地球外层空间中被地磁场捕获的高强度带电粒子区域 不是电离层 在外层空间存在两条绕地球的环形的由带电的质子和电子组成的辐射带 在地球的磁场线中作复杂的螺旋轨迹运动 由詹姆斯范 阿伦博士于1959年发现的 第二讲卫星轨道概论 第五节辐射带和轨道高度窗口 46 内层辐射带主要由质子和电子的混合物组成 存在于赤道平面上大约600 10000公里的高度范围内 带电粒子的浓度约在3700km高度上达到峰值 外层辐射带主要由电子组成 存在于赤道平面上大约10000 60000公里的高度范围内 带电粒子的浓度约在18500km高度上达到峰值 辐射带的辐射强度与在一年内的时间 地理纬度 地磁和太阳活动等因素有关 范 阿伦辐射带的特点 第二讲卫星轨道概论 第五节辐射带和轨道高度窗口 47 范 阿伦辐射带的影响 辐射 高能带电粒子会导致材料的暂时或永久改变 损坏卫星中一些精密的器件 辐射可采用屏蔽层来解决 单粒子效应 粒子 质子和高能粒子穿透能力极强 会因与其它物质碰撞而产生瞬时大电流 引起卫星电子电路芯片的逻辑状态改变 比特翻转 不可预测的操作 设备锁定或烧坏及降低太阳能阵列的发电效率 最有效的解决方法是用软件加以控制 第二讲卫星轨道概论 第五节辐射带和轨道高度窗口 48 卫星轨道高度窗口选择的考虑因素 范 阿伦辐射带的存在 使得卫星要避开分别以3700km和18500km为中心的两个辐射带 大气阻力影响 大气阻力随轨道