航天器的轨道与轨道力学幻灯片.ppt

3．赤经赤纬坐标系 与地心赤道坐标系密切相关的一个坐标系是赤经赤纬坐标系。它的基准平面是天赤道面，即地球赤道平面无限延伸到一个假想的半径为无穷大的天球上所形成的平面。天体在天球上的投影位置用叫做赤经和赤纬的两个角来描述。如图2．16所示，赤经是从天赤道面内由春分点开始向东量度，赤纬是从天赤道面向北量至视线。 4．近焦点坐标系 描述航天器运动最方便的坐标系之一是近焦点坐标系。该坐标系的基准面是航天器的轨道平面，坐标轴为 ， 和 。 轴指向近拱点，在轨道面内按运动方向从 轴转过 就是 ； 轴沿 方向，它们构成右手系的近焦点坐标系。 ， 和 三轴方向的单位矢量分别为 ， 和 (见图2．17)。 2．4．2 经典轨道要素 基于以上定义的坐标系就可以描述航天器的轨道。航天器运行轨道的形状和其在间的位置，可以通过6个参量来表示，简称轨道要素或轨道根数。这些参量是相互独立的，而且通常具有十分明确的物理意义。下面就椭圆轨道进行介绍。 1．椭圆轨道要素 轨道六要素是描述和确定航天器轨道特征的量(见图2．18)。 (1)轨道倾角i：航天器运行轨道所在的面叫轨道面，这个平面通过地心，它与地球赤道平面的夹角称为轨道倾角。 (2)升交点赤径 ：从春分点方向轴量起的升交点的经度，顺地球自转方向为正。0≤ ≤2 。 (3)近地点角距 ：投影在天球上的椭圆轨道近地点与升交点对地心所张的角度，从升交点顺航天器运行方向量到近地点。 (4)椭圆轨道的长半轴 。 (5)椭圆偏心率e： ，其中b是椭圆的短半轴。 (6)航天器过近地点的时刻 。 2．轨道参数的实际意义 (1)确定航天器轨道平面在空间的方位：由轨道倾角i和升交点赤经 确定。 当轨道倾角 时，称为赤道轨道；当 时，称为极轨道；当 i 时，航天器运行方向与地球自转方向相同，称为顺行轨道；当 i 时，航天器运行方向与地球自转方向相反，称为逆行轨道；当 时，航天器成为与地球自转方向相反的赤道航天器 (见图2．19)。 (2)确定椭圆长轴在轨道平面上的指向：由近地点角距 确定。 (3)确定椭圆轨道的形状和大小：由长半轴 和偏心率e确定。 (4)确定航天器在轨道上的位置：由航天器过近地点时刻 把时间和空间(航天器在轨道上的位置)联系起来。 2.4.3 星下点轨迹 轨道上的卫星(S)与地心的连线(径向直线)在地面上有一交点( )，这是卫星在地面的投影点，称为星下点。随着卫星的运行，星下点也在地面上连点成线，这条线称为卫星的星下点轨迹，它反映了卫星相对于地球表面的运动情况。若不考虑地球自转，星下点轨迹是轨道面与地球表面相交形成的大圆。 卫星是在地球引力的作用下运动的，其轨道平面经过地球中心。同时，卫星在运动过程中的比角动量不赤随时间变化，比角动量的方向指向轨道平面的法线方向，因此，轨道平面在空间的方位也不变，这叫做轨道平面的定向性(见图2．21，图2．22)。 由于轨道平面的定向性，尽管地球自转，轨道面却不受地球自转的牵连，因此，地球自转和轨道面的定向性两者的综合结果，使星下点轨迹扩展到地面上更多的区域。运行一周的卫星，由于地球自转，星下点向西移动了一定经度。运行周期为120 min的卫星，经过24 h，将再次飞经一天前所经过的地点上空。 2.4.4 几种典型轨道 1．地球同步轨道 地球同步轨道是指航天器绕地球运行的周期与地球自转周期相同的轨道，即航天器的轨道周期等于一个恒星日(23 h 56 min 4．1 s)。采用地球同步轨道的卫星，称为地球同步卫星，也称24 h同步卫星。 地球自转周期近似为24 h，若为圆轨道，由式(2．46)可计算出： 轨道半径r=6．63R，R——地球半径； 轨道高度h=r-R=5．63R=35 810 km。 2．地球静止轨道 地球静止轨道是指轨道倾角的地球同步轨道。在这条轨道上，使航天器运行方向和 地球自转方向一致，从地面上看，航天器相对于地球是静止的，好像在天空的某个地方不动似的。采用静止轨道的卫星，称为静止卫星或定点卫星。因此，静止轨道特性体现如下： (1)轨道倾角的赤道轨道； (2)偏心率e=0的圆形轨道； (3)轨道高度h≈36 000 km的高轨道； (4)周期T=23 h 56 min 4．1 s； (5)环绕速度可v=3．075 km／s。 3．地球回归轨道 回归轨道是指星下点轨迹出现周期性重复的轨道。重复出现的周期称为回归周期。设地球自转角速度