卫星轨道基础PPT课件

-,1,第2章卫星轨道,张燕zy29209,-,2,2.1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,第2章卫星轨道,-,3,2.1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。,-,4,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）。,-,5,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。,C,-,6,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。,-,7,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。,e越大，轨道越扁，0e1e=0时，卫星轨道即为圆轨道,-,8,近地点：卫星离地球最近的点，长度为近地点高度即卫星在近地点时距离地面的高度,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,-,9,推导卫星轨道平面的极坐标表达式为：,P、e的值均由卫星入轨时的初始状态所决定,定义,则,-,10,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。,-,11,由第二定律可导出卫星在轨道上任意位置的瞬时速度为：,v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。为开普勒常数，值为3.986105km3/s2。这说明卫星在轨道上的运行速度是不均匀的。卫星运动的速度在近地点最大，在远地点最小。,-,12,对于圆轨道，理论上卫星将具有恒定的瞬时速度,为开普勒常数，值为3.986105km3/s2。,-,13,开普勒第三定律（调和定律）：卫星运转周期的平方与轨道半长轴的3次方成正比。,由此，卫星绕地球飞行的周期T为,可见，卫星的轨道周期只与半长轴有关，而与偏心率e（即轨道扁平程度）无关。,-,14,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。,-,15,解：,轨道方程,-,16,公转周期,远地点瞬时速度,近地点瞬时速度,-,17,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。,解：由于静止卫星作匀速圆周运动，r=a，由开普勒第三定理,-,18,瞬时速度恒定为：,由此，卫星离地面高度为,-,19,2.1.2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,-,20,2、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，0i90逆行倾斜轨道，900，收发端靠近，频偏为正VT0，收发端远离，频偏为负,-,74,例：飞机沿赤道相对地面以速度vD水平飞行，此时接收波长为的静止卫星(GEO)信号，仰角为e，求多普勒频移f？,-,75,例6：某圆轨道卫星的轨道高度为1450km。假设接收机位于轨道平面内，系统标称工作频率为2.5GHz，试求卫星位于接收机所在水平面时，接收端的多普勒频移。如果系统工作频率为20GHz，同样条件下的多普勒频移有多大？解：绘图,-,76,卫星瞬时速度由开普勒第二定律可得,卫星与接收机间的径向速度VT,工作频率2.5GHz时,工作频率20GHz时,-,77,对于静止轨道卫星通信，产生多普勒频移主要是因为用户终端的运动。对于非静止轨道卫星通信，多普勒频移主要取决于卫星相对与地面目标的快速移动。因此，多普勒频移对低轨卫星系统影响较大。下面列出了GEO、MEO和LEO卫星系统在C波段时的最大多普勒频移典型值。,-,78,2.5.2日蚀,卫星与太阳间的直视路径被地球遮挡的现象称为卫星的日蚀，也称星蚀。对静止轨道卫星而言，日蚀发生在每年春分和秋分前后各23天的午夜。此时卫星、地球和太阳处于一条直线上，地球挡住了阳光对卫星的照射，卫星进入地球的阴影区。每天发生星蚀的持续时间不等，最长72分钟。发生星蚀期间，卫星只能靠星载蓄电池来供给能源。,-,79,静止卫星发生日蚀的示意图,对静止卫星，日蚀发生在什么时候？,-,80,-,81,2.5.3日凌中断,春分和秋分期间，卫星不仅通过地球的阴影部分，也穿越地球和太阳间的直射区域。这时地球站天线对准卫星的同时也就对准太阳，强大的太阳噪声进入地球站将造成通信中断日凌中断日凌中断每年在春分和秋分前后发生。每天日凌中断的最长时间与地球站的天线口径、工作频率有关。,-,82,静止卫星发生日凌中断的示意图,-,83,练习,试计算下列圆形轨道卫星系统的在轨速度V和轨道周期T铱系统(Iridium)：卫星轨道高度为780km全球星系统(Globalstar)：卫星轨道高度为1414km全球定位系统(GPS)：卫星轨道高度为20200km中星6B直播卫星系统：卫星轨道高度为35786km,-,84,习题,1.对于围绕地球的卫星轨道，轨道的偏心率为0.15，长半轴为9000km。确定(a)轨道周期；(b)远地点高度；(c)近地点高度。假设平均地球半径为6378km。2.设某赤道轨道卫星的远地点高度为35795km，近地点高度为35779km。假设地球的赤道半径为6378km，计算该卫星轨道的长半轴和偏心率。,-,85,3.全球星系统的卫星轨道高度为1414km，在最小仰角为10时，求单颗卫星的最