轨道设计分析

图 1-3 近地圆轨道的预期寿命随初始轨道高度的变化
爱因斯坦探针卫星在轨运行的弹道系数可能约在 65kg/m2（4.8 m2 太阳帆板向风）和 200kg/m2（太阳帆板侧风）之间，因此要保证 爱因斯坦探针任务至少 5 年的在轨运行寿命，在不配备推进系统（简 化设计降低成本）的前提下，卫星的初始轨道高度不宜低于 550～ 600km。 1.1.3 与地面建立实时通信的要求
综合考虑 1)空间高能粒子分布区对 X 射线载荷的影响、2) 任务 对轨道寿命的需求、3)与地面建立实时通信的要求、4)发射场位置约 束等几个重要因素，初步设计确定爱因斯坦探针卫星的轨道为初始高 度 600km、倾角不大于 30 度的近地圆轨道。具体的设计分析如下。 1.1 轨道约束分析 1.1.1 空间高能粒子分布区对 X 射线载荷的影响
图 1-1 高能粒子分布的内外范•艾伦辐射带示意
外辐射带在赤道附近的上下边界约 10000km 和 60000km，内辐 射带在赤道附近的上下边界约 600km 和 6000km。纬度大于 35 度、 在很宽的扭曲带状区域，辐射带中高能电子可降到 600km 之下。内 辐射带底部还存在一个很大的南大西洋异常区（SAA），以西经约 40 度、南纬约 30 度为中心，中心附近辐射带下边界可低至约 200km。 SAA 中高能质子和电子的通量密度非常大，是低倾角近地轨道卫星 所受环境辐射的主要来源。
最后，将以上所做轨道约束分析的结果综合列出如表 1-1：
表 1-1 轨道约束分析结果
设计因素 高能粒子环境 任务寿命 实时通信 发射场
方案需求 避开辐射带 ≥5 年 VHF 基站网 西昌
轨道高度 ≤600～650km ≥550～600km 近地轨道
轨道倾角 <35 度
≤30 度 ≥28 度
1.2 轨道特性分析 1.2.1 基本特性
国内的中继星系统目前还是“预约”式的，即根据预先下达的计划 与卫星通信，与普通地面站的接收方式类似，无法满足星地实时通信
的需求。将来中继星系统计划使用多颗星覆盖全球，其使用方式可能 将会有所改进。但中继星的使用成本较高，也应作为考虑因素之一。
图 1-4 中法天文卫星 SVOM 项目 VHF 基站网的分布及覆盖范围
X 射线探测器对环境中的高能带电粒子敏感，后者会增加探测器 的背景噪声，从而降低信噪比，并且会产生大量伪信号，干扰对天文 X 射线暂现源的搜索。地球磁场俘获来自外空间的高能带电粒子后， 形成粒子通量密度特别大的内外两个范•艾伦辐射带。因此，X 射线 天文卫星的轨道应尽量规避范•艾伦辐射带和直接暴露在外空间高能 带电粒子流下的极盖区。
借用中法天文卫星 SVOM 项目的法国 VHF 基站网建立星地实时 通信系统，要求爱因斯坦探针卫星采用近地轨道，且轨道倾角不能大 于 30 度。 1.1.4 发射场位置约束
中国现有的发射场包括酒泉、太原和西昌。其中西昌发射场的纬 度最低，为北纬 28 度，有利于发射低倾角卫星，卫星轨道倾角不宜
小于 28 度。考虑到项目进度和海南文昌发射场（北纬 19 度）的建 设情况，如果能从海南文昌发射场发射，可以实现更低的轨道倾角。
爱因斯坦探针卫星在全天监测观测模式下，当宽视场 X 射线望 远镜探测到 X 射线暂现源，需要卫星将暂现源的位置等警报信息实 时传送到地面，触发和引导地面望远镜的联合跟踪观测，以实现对源 的尽快证认与深入研究。
建立爱因斯坦探针卫星的星地实时通信系统，有两种方式可加以 考虑：一是象美国的 Swift 卫星一样使用中继卫星系统，二是借用为 中法天文卫星 SVOM 项目建设的法国 VHF 基站网。
法国 VHF 基站网的使用和维护成本相对低廉，它继承 HETE-2 卫星开发的系统，已纳入中法天文卫星 SVOM 项目法方地面系统， 计划进一步扩充。该星地实时通信系统采用 VHF 通信方式，沿地球 赤道分布有约 39 个基站，能够覆盖纬度 30 度之内的范围。VHF 基 站网的传输带宽不高，但爱因斯坦探针卫星下传警报的数据量非常小， 下传需求能够满足。
1. 轨道设计分析
高能天文卫星绝大多数采用低倾角近地轨道，高度一般在 500km 到 650km 之间，轨道倾角不大于 30 度，如早年的 Uhuru、HEAO-1、 Einstein、EUVE 和目前在轨的 NuStar、Fermi、Swift、Suzaku、 RXTE 以及研制中的 Astrosat、SVOM、NeXT、GEMS 等。不过也 有 Chandra、XMM-Newton、INTEGRAL、EXOSAT 等几个大型高 能空间天文台采用大椭圆轨道以远离高能粒子辐射带，但没有大椭圆 轨道上的巡天观测任务。巡天任务 ROSAT 和 HXMT 也采用近地轨 道，不过倾角分别达到 53 度和 43 度。
图 1-2 高度 600km 处辐射带高能电子的空间分布
为避开范•艾伦辐射带，并降低南大西洋异常区对 X 射线载荷的 影响，爱因斯坦探针卫星的轨道高度不宜大于 600～650km，轨道倾 角不大于 35 度。 1.1.2 任务对轨道寿命的需求
卫星在高度 1000 公里以下的近地轨道上运行时，会在大气阻力 的作用下逐渐损失动能，导致轨道高度的衰减。大气密度随高度降低 而大幅增加，因此低高度轨道的寿命很短。太阳活动峰年时近地轨道 上的大气密度会显著增加，严重影响轨道寿命。卫星总质量与迎风截 面积和阻力系数（常取 2～2.2）乘积之间的比值越大，卫星运行受 大气阻力的影响越小，该比值称为弹道系数。下图所示为典型弹道系 数下、太阳活动峰年和谷年时，近地圆轨道的预期寿命随初始轨道高 度的变化：
爱因斯坦探针卫星 600km、30 度倾角轨道的周期约为 96.7min，
每天约 15 轨，其中一部分会穿越空间高能粒子集中的南大西洋异常
Байду номын сангаас区（SAA），全天各轨的星下点轨迹如图 1-5 所示：
图 1-5 爱因斯坦探针卫星轨道每天 15 轨的地图投影及 SAA 区范围示意
地球扁率所对应的赤道区隆起会导致卫星轨道面的进动，爱因斯 坦探针卫星 600km、30 度倾角轨道的进动速度较快，升交点赤经每 天的进动值约为-6.3 度，每天在惯性系下的轨道位置如图 1-6 所示：