卫星轨道分解课件.pptVIP

第2章卫星轨道张燕1

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

2.1卫星轨道特性2.1.1开普勒定理v卫星运行的轨迹和趋势称为卫星运行轨道。v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。3

v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）。4

v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。v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。卫星远地点近地点CO地心5

vS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；va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；vr为地球平均半径，常用取值6378km；Evr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。v?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。6

v为了描述轨道特性，使用如下参量v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，0?e1?e=0时，卫星轨道即为圆轨道7

v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v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8

v推导卫星轨道平面的极坐标表达式为：定义则vP、e的值均由卫星入轨时的初始状态所决定9

v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。10

v由第二定律可导出卫星在轨道上任意位置的瞬时速度为：vv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3.986?105km3/s。2v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。11

v对于圆轨道，理论上卫星将具有恒定的瞬时速度v?为开普勒常数，值为3.986?105km3/s2。12

v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。13

v例1我国第一颗人造地球卫星的近地点高度h=439km，远地点高度h=2384km。试求其A轨道方程。公转周期、远地点和近地点的瞬B时速度v(r)和v(r)。已知地球半径maxminR=6378km。半长轴半短轴近地点远地点14

v解：轨道方程15

公转周期远地点瞬时速度近地点瞬时速度16

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。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17

v由此，卫星离地面高度为v瞬时速度恒定为：18

2.1.2卫星轨道分类1、按形状分类v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v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19

2、按倾角分类v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v顺行倾斜轨道，0?i90?v逆行倾斜轨道，90?i180?20

顺行倾斜轨道逆行倾斜轨道静止轨道21

(a)赤道轨道(b)极地轨道顺行倾斜轨道逆行倾斜轨道(c)(d)22

3、按高度分类v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40000km23

高椭圆轨道HEO24

v太阳日和恒星日的概念v太阳日：以太阳为参考方向时，地球自转一圈所用的时间，长