第2章-卫星轨道ppt课件.ppt

第2章 卫星轨道张燕12.1 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22.1 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。3v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卫星地心O近地点远地点 v 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 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。C5v 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；v 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；v rE为地球平均半径，常用取值6378km；v 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。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。6v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 e1e=0时，卫星轨道即为圆轨道7v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8 v v推导卫星轨道平面的极坐标表达式为：v vP、e的值均由卫星入轨时的初始状态所决定定义则9v 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。DCBA10v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 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3.986105 km3/s2。v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。1 1v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3.986 105 km3/s2。12v 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近地点远地点半长轴半短轴v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。14v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17v瞬时速度恒定为：v由此，卫星离地面高度为182.1.2 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192、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 i90v逆行倾斜轨道，90 i18020静止轨道顺行倾斜轨道逆行倾斜轨道21(a)赤道轨道(b)极地轨道(c)顺行倾斜轨道(d)逆行倾斜轨道223、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，椭圆轨道，远地点可达40000km23高椭圆轨道HEO24v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，长度为24小时v恒星日：以无穷远处的恒星为参考方向时，地球自转一圈所用的时间，长度小于太阳日长度，为23小时56分04秒254、按轨道周期分类v由于地球的自转特性，卫星绕地球旋转一圈后，不一定会重复前一圈的轨迹，因此可以根据星下点轨迹的重复特性对卫星轨道分类回归/准回归轨道v卫星的星下点轨迹在M个恒星日，绕地球旋转N圈后重复的轨道vM,N为整数，M=1为回归轨道，M1为准回归轨道。v轨道周期为M/N恒星日非回归轨道26同步轨道卫星和静止轨道卫星v 卫星运行的方向和地球自转的方向相同，运行周期与地球自转周期（23小时56分4秒，即1恒星日）相同的轨道称为地球同步卫星轨道（简称同步轨道）。v 而在无数条同步轨道中，有一条圆形轨道，它的轨道平面与 地球赤道平面重合，倾角为0，这条轨道就称为地球静止卫星轨道，高度大约是35786公里。在这个轨道上的所有卫星，从地面上看都像是悬在赤道上空静止不动，这样的卫星称为地球静止轨道卫星，简称静止卫星。人们通常简称的同步轨道卫星一般指的是静止卫星。272829卫星通信示意图30v三颗静止卫星就可基本覆盖全球，其应用较为广泛，但地球上空的静止轨道只有一条，轨道资源较为紧张。因此，国际电信联盟(ITU)鼓励采用对地倾斜同步轨道(IGSO)。v例如，我国北斗二代卫星导航系统同时采用了5颗相隔60的地球静止轨道卫星 和3颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO星)及分布在3个轨道面内24颗倾角为 55的中高度圆轨道卫星(MEO卫星)。31静止卫星通信的优缺点v优点：v除卫星通信的一般优点（如通信距离远，覆盖面积大等）之外，静止卫星通信的一个突出优点就是，地球站不需要复杂的跟踪系统即可对准卫星。32v缺点：保密性较差；时延长；静止卫星的发射与控制技术比较复杂，运营成本高；地球的两极地区为通信盲区，而且地球的高纬度地区通信效果较差；地球的静止轨道只有一条，因此轨道上所能容纳的静止卫星数目有限。33低轨道卫星通信的优缺点v优点：由于卫星高度低，信号衰减小，时延小；卫星重量轻，结构简单；将卫星均匀地排布在整个地球的周围，即使是在南北极，也能使用低轨道卫星进行通信，这是静止卫星通信的盲区。34v缺点：覆盖整个地球需要大量卫星，系统复杂；卫星数量多，寿命短，运行期间要及时补充发射替代或备用卫星，系统投资较高。352.2 卫星的定位v卫星对地球的定位星下点轨迹v星下点：卫星与地心连线和地球表面的交点。v星下点随时间在地球表面上的变化路径称为星下点轨迹。363738