卫星轨道星座及编队构形设计 ppt课件
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卫星总体方案设计 PPT课件
500km（太阳同步圆轨道） 97.4º
94.6min 11:00
CZ-2C、CZ-2D等单独发射
0.0001º/s 0.05º
0.0001º/s 3º/s
小于20s
2020/3/31 第 21 页
卫星总体方案设计
配
总体性能参数确定与分
卫星平台总体方案主要技术指标
(5) 电源系统 供电阵输出功率（末期） 蓄电池组额定容量
2020/3/31
第6页
卫星总体方案设计
概述
B阶段(详细定义阶段)：详细定义系统和分 系统设计细节，产生分系统需求和设计规范，进 行关键部件的研制。
完成任务的最佳卫星设计方案是什么？为什么？ 所包含的风险是什么？ 实现的计划是什么？ 成本估算是多少？ 是否有为确保计划所必需的长周期项目？
2020/3/31
（Conceptual Design）
总
体
设
初步设计
计
（Preliminary Design）
详细设计 （Detail Design）
制造
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第5页
卫星总体方案设计
概述
A阶段(可行性论证阶段)：完成概念设计最 佳方案的选择、可行性验证、技术解决方法的定 义。
要完成任务合理的卫星配置是什么？ 研制中有什么难点(重大成本、计划和技术问题)？ 应该做哪些主要的比较研究和分析？ 花费的成本是多少？ 需要多长时间？
设计阶段 概念设计 初步设计 详细设计
人员比例 1％ 9％ 90％
2020/3/31 第 15 页
卫星总体方案设计
概述
高度的综合性
—综合考虑设计要求的各个方面，进行不同学科 专业间的权衡与协调
《卫星轨道计算》课件
通过分析卫星轨道的参数变化，判断其是否具有稳定性。
判据种类
包括周期性判据、频率分析判据、Lyapunov指数判据等。
判据应用
用于预测卫星轨道的变化趋势，评估卫星轨道的寿命。
卫星轨道的摄动分析
摄动定义
01
摄动是指卫星轨道受到外部因素的干扰，导致其偏离理想轨迹
的现象。
摄动分类
02
包括地球非球形摄动、大气阻力摄动、太阳辐射压摄动等。
《卫星轨道计算》ppt课件
目录
• 卫星轨道计算概述 • 卫星轨道的数学模型 • 卫星轨道的力学模型 • 卫星轨道的稳定性分析 • 卫星轨道的观测与测量 • 卫星轨道计算的应用与发展
01
卫星轨道计算概述
卫星轨道的基本概念
01
02
03
卫星轨道
指卫星在空间运行的路径 ，由地球引力、太阳辐射 压和其他天体引力作用维 持。
时间测量
通过测量卫星与地面站之间的 时间差来确定卫星位置。
雷达干涉测量
利用雷达信号干涉原理进行高 精度测量。
星间测量
利用卫星之间的信号传输和干 涉进行高精度测量。
卫星轨道的校准与修正
校准
使用已知精确的卫星轨道数据对观测 数据进行校准，以提高精度。
修正
根据观测数据和计算结果对卫星轨道 进行修正，以实现实时更新。
牛顿万有引力定律
总结词
描述了物体之间的万有引力关系，是卫星轨道计算的基础。
详细描述
牛顿万有引力定律指出任何两个物体都相互吸引，引力的大 小与两个物体的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反 比。对于卫星轨道计算，地球对卫星的引力是决定卫星运动 轨迹的关键因素。
地球的引力扰动
总结词
判据种类
包括周期性判据、频率分析判据、Lyapunov指数判据等。
判据应用
用于预测卫星轨道的变化趋势，评估卫星轨道的寿命。
卫星轨道的摄动分析
摄动定义
01
摄动是指卫星轨道受到外部因素的干扰，导致其偏离理想轨迹
的现象。
摄动分类
02
包括地球非球形摄动、大气阻力摄动、太阳辐射压摄动等。
《卫星轨道计算》ppt课件
目录
• 卫星轨道计算概述 • 卫星轨道的数学模型 • 卫星轨道的力学模型 • 卫星轨道的稳定性分析 • 卫星轨道的观测与测量 • 卫星轨道计算的应用与发展
01
卫星轨道计算概述
卫星轨道的基本概念
01
02
03
卫星轨道
指卫星在空间运行的路径 ，由地球引力、太阳辐射 压和其他天体引力作用维 持。
时间测量
通过测量卫星与地面站之间的 时间差来确定卫星位置。
雷达干涉测量
利用雷达信号干涉原理进行高 精度测量。
星间测量
利用卫星之间的信号传输和干 涉进行高精度测量。
卫星轨道的校准与修正
校准
使用已知精确的卫星轨道数据对观测 数据进行校准，以提高精度。
修正
根据观测数据和计算结果对卫星轨道 进行修正，以实现实时更新。
牛顿万有引力定律
总结词
描述了物体之间的万有引力关系，是卫星轨道计算的基础。
详细描述
牛顿万有引力定律指出任何两个物体都相互吸引，引力的大 小与两个物体的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反 比。对于卫星轨道计算，地球对卫星的引力是决定卫星运动 轨迹的关键因素。
地球的引力扰动
总结词
卫星轨道PPT学习教案
第17页/共45页
按卫星轨道的偏心率不同分
圆轨道：偏心率为零的轨道，偏心率接近零的近圆轨 道有时也称为圆轨道。
椭圆轨道：偏心率在0和1之间的轨道。偏心率大于 0.2的轨道称为大偏心率椭圆轨道，又称大椭圆轨道 。沿椭圆轨道运行的卫星，探测的空间范围相对较大 。
抛物线轨道：偏心率为1的轨道。
双曲线轨道：偏心率大于1的轨道。
(2)
180o (90o 180o )
s 是卫星星下点的地心纬度，单位是度；s 是卫星星 下点的地心经度，单位是度；0 是升节点的经度，单位
是度； 是t时刻卫星与升节点之间的角距（从升节点开
始度量，顺行方向取正值，逆行方向取负值）；t是飞行
时间，单位为秒；we是地球自转角速度，单位为度/秒；
号分别用于顺行和逆行轨道。
第9页/共45页
地心（Geocentric）赤道坐标系：坐标原点为地心； 坐标轴X在赤道平面内，指向春分点；Z轴垂直于地 球赤道面，与地球自转角速度方向一致；Y轴与X轴 、Z轴垂直，构成右手系。
太阳日：一个太阳日是指太阳连续经过当地子午线的 时间间隔，即通常所说的一天。如果地球只是自转， 而不绕着太阳转的话，一个太阳日就应该与地球自转 一圈的时间相同。实际上，地球除了自转外，还要绕 着太阳旋转（一年转一圈）。因此，在一个太阳日中 地球自转就超过了360o，平均说来在一个太阳日中地 球要多自转0.986o。
第15页/共45页
赤道轨道 顺行轨道
极轨道 逆行轨道 图6 不同倾角的卫星轨道
第16页/共45页
太阳同步轨道：当卫星轨道角度大于90度时 ，地球的非球形重力场使卫星的轨道平面由 西向东转动。适当调整卫星的高度、倾角、 形状，可以使卫星轨道的转动角速度恰好等 于地球绕太阳公转的平均角速度，这种轨道 称为太阳同步轨道。 太阳同步轨道卫星可以在相同的当地时间和 光照条件下，多次拍摄同一地区的云层和地 面目标，气象卫星和资源卫星多采用这种轨 道。
按卫星轨道的偏心率不同分
圆轨道：偏心率为零的轨道，偏心率接近零的近圆轨 道有时也称为圆轨道。
椭圆轨道：偏心率在0和1之间的轨道。偏心率大于 0.2的轨道称为大偏心率椭圆轨道，又称大椭圆轨道 。沿椭圆轨道运行的卫星，探测的空间范围相对较大 。
抛物线轨道：偏心率为1的轨道。
双曲线轨道：偏心率大于1的轨道。
(2)
180o (90o 180o )
s 是卫星星下点的地心纬度，单位是度；s 是卫星星 下点的地心经度，单位是度；0 是升节点的经度，单位
是度； 是t时刻卫星与升节点之间的角距（从升节点开
始度量，顺行方向取正值，逆行方向取负值）；t是飞行
时间，单位为秒；we是地球自转角速度，单位为度/秒；
号分别用于顺行和逆行轨道。
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地心（Geocentric）赤道坐标系：坐标原点为地心； 坐标轴X在赤道平面内，指向春分点；Z轴垂直于地 球赤道面，与地球自转角速度方向一致；Y轴与X轴 、Z轴垂直，构成右手系。
太阳日：一个太阳日是指太阳连续经过当地子午线的 时间间隔，即通常所说的一天。如果地球只是自转， 而不绕着太阳转的话，一个太阳日就应该与地球自转 一圈的时间相同。实际上，地球除了自转外，还要绕 着太阳旋转（一年转一圈）。因此，在一个太阳日中 地球自转就超过了360o，平均说来在一个太阳日中地 球要多自转0.986o。
第15页/共45页
赤道轨道 顺行轨道
极轨道 逆行轨道 图6 不同倾角的卫星轨道
第16页/共45页
太阳同步轨道：当卫星轨道角度大于90度时 ，地球的非球形重力场使卫星的轨道平面由 西向东转动。适当调整卫星的高度、倾角、 形状，可以使卫星轨道的转动角速度恰好等 于地球绕太阳公转的平均角速度，这种轨道 称为太阳同步轨道。 太阳同步轨道卫星可以在相同的当地时间和 光照条件下，多次拍摄同一地区的云层和地 面目标，气象卫星和资源卫星多采用这种轨 道。
卫星轨道PPT精编版
天文学的几个术语
春分点和秋分点：从地球 上看，太阳沿黄道逆时针 运动，黄道和天赤道在天 球上存在相距180°的两个 交点，其中太阳沿黄道从 天赤道以南向北通过天赤 道的那一点，称为春分点， 与春分点相隔180°的另一 点，称为秋分点，太阳分 别在每年的春分（3月21日 前后）和秋分（9月23日前 后）通过春分点和秋分点。
天文学的几个术语
太阳日：以太阳为参考方向时，地球自转一圈所需的 时间，即通常所说的一天。如果地球只是自转，而不 绕着太阳转的话，一个太阳日就应该与地球自转一圈 的时间相同。实际上，地球除了自转外，还要绕着太 阳公转（一年转一圈）。因此，在一个太阳日中地球 自转就超过了360o，平均说来在一个太阳日中地球要 多自转0.9856o。
近地点：r取值最小的点称 为远地点(Perigee)，近地 点长度为
Rp a(1- e)
(2 4)
卫星轨道平面的极坐标表达式：
r a(1 e2 )
1 e cos
(2 5)
定义椭圆轨道半焦弦(过椭 圆焦点且垂直X轴的通径的 一半)：
P a(1 e2 )
则式（2-5）又可写为：
简单地说，春分点为 太阳沿黄道从天赤道以南 向北通过天赤道的那一点。
天文学的几个术语
升交点（或升节点）：卫星从地球的南半球向北半球飞行的 时候经过地球赤道平面的点。
降交点（或降节点）：卫星从地球的北半球向南半球飞行的 时候经过地球赤道平面的点。
交点线：升交点和降交点之间穿越地心的连线。
解：由图2-1可知，长轴为远地点与近地点之间的直线距离，
在半长轴为 地点高度为
a ，地球半径为 ha 时，有：
Re
，近地点高度为
小卫星编队飞行及其轨道构成
方程计算编队飞行轨迹, 细线表示精确模型计算
结果。从图中结果看出: 相对距离在几公里之内,
两种模型给出精度相当接近。
把非线性模型 [ 式 (15) ] 与 H ill 方程模型在 相同初始条件进行编队飞行轨迹仿真, 发现两者 精度误差在精确模型与 H ill 方程模型精度误差 之间, 也就是说非线性模型精度在 H ill 方程与精 确模型精度之间。
飞行圆形半径和初始条件所在时间, 即相位角 (Ξt) 有关。 图 1 表示圆形编队飞行轨迹。
图 1 圆形编队飞行轨迹
图注: Ξ= 10- 3 s; r= 1 000m ; 初始条件 x 0= 0m , y 0= 500m , z 0= 866m , Ξt= 0,
·
··
x 0= 1m s, y 0= z 0= 0m s, Α= 30°。
稳定编队轨道, 编队航天器不必消耗燃料, 就可以长期围绕中心航天器飞行。
上述椭圆形状的编队飞行轨迹, 中心航天器存在或者不存在, 对椭圆形状编队飞行的
动力学和稳定性没有影响。
213 圆形编队飞行轨迹
在实际应用中有两个编队飞行轨迹是经常使用的: 一个是在空间为圆形编队飞行轨迹; 另一个是在星下点为圆形编队飞行轨迹。
由于x和y变?是耦合的方程式1前两式变?通过一定转换可得2001?2月中国空间科学技术25xxco3222a2yyco2?ycot?a12xcox02y0?yco4y0??234式中?2x0??1a2x013y02y0?225方程式1的第三式z轴变?是独立的可以单独得出解析解?zz0sintz0cost6212编队飞?轨道的稳定性当yco0式4变为x02y0?7?初始条件满足方程式7则方程式2是一个封闭椭圆方程且椭圆方程长半轴为短半轴的2倍
移动卫星通信系统(上)：卫星星座设计
移动卫星通信系统 (上)卫星星座设计
目录
• 卫星星座设计概述 • 卫星星座构型与参数选择 • 卫星轨道设计与优化方法
目录
• 卫星通信链路预算与性能评估 • 卫星星座部署策略及实现技术 • 总结与展望
01
卫星星座设计概述
卫星星座定义与分类
卫星星座定义
由多颗卫星按照一定的构型和规 律在轨道上分布形成的空间系统 。
低轨卫星通信系统具有传输时延短、路径损耗小等优势，未来 将在物联网、遥感监测、应急救援等领域发挥重要作用。
智能化和自主化技术的不断提升
随着人工智能和自主化技术的不断发展，未来的卫星星座将具备更高 的智能化和自主化水平，实现更加灵活、高效的运行和管理。
对个人学习或工作建议
深入学习卫星通信相关知识
要想在卫星通信领域取得更好的成绩，需要不断学习和掌握相关知 识，包括通信原理、信号处理、卫星导航等方面的内容。
发展趋势
未来卫星星座设计将更加注重智能化、自主化、模块化等方向发展，提高星座的自主性、 灵活性和可维护性。同时，随着商业航天的快速发展，将有更多民营企业参与到卫星星座 的建设与运营中。
02
卫星星座构型与参数选择
常见卫星星座构型
地球同步轨道星座（GEO）
中地球轨道星座（MEO）
卫星在地球同步轨道上运行，与地球自转 周期相同，相对地面静止。
卫星间通信链路设计
建立高效、稳定的星间通信链路，确保信息在卫星间的快 速传输。
卫星星座构型
根据覆盖需求和卫星数量，设计合理的星座构型，如 Walker星座、玫瑰星座等。
地面段支持
建设地面测控站、数据中心和用户终端等设施，为卫星星 座提供全面的地面支持。
成功案例分享
铱星系统
目录
• 卫星星座设计概述 • 卫星星座构型与参数选择 • 卫星轨道设计与优化方法
目录
• 卫星通信链路预算与性能评估 • 卫星星座部署策略及实现技术 • 总结与展望
01
卫星星座设计概述
卫星星座定义与分类
卫星星座定义
由多颗卫星按照一定的构型和规 律在轨道上分布形成的空间系统 。
低轨卫星通信系统具有传输时延短、路径损耗小等优势，未来 将在物联网、遥感监测、应急救援等领域发挥重要作用。
智能化和自主化技术的不断提升
随着人工智能和自主化技术的不断发展，未来的卫星星座将具备更高 的智能化和自主化水平，实现更加灵活、高效的运行和管理。
对个人学习或工作建议
深入学习卫星通信相关知识
要想在卫星通信领域取得更好的成绩，需要不断学习和掌握相关知 识，包括通信原理、信号处理、卫星导航等方面的内容。
发展趋势
未来卫星星座设计将更加注重智能化、自主化、模块化等方向发展，提高星座的自主性、 灵活性和可维护性。同时，随着商业航天的快速发展，将有更多民营企业参与到卫星星座 的建设与运营中。
02
卫星星座构型与参数选择
常见卫星星座构型
地球同步轨道星座（GEO）
中地球轨道星座（MEO）
卫星在地球同步轨道上运行，与地球自转 周期相同，相对地面静止。
卫星间通信链路设计
建立高效、稳定的星间通信链路，确保信息在卫星间的快 速传输。
卫星星座构型
根据覆盖需求和卫星数量，设计合理的星座构型，如 Walker星座、玫瑰星座等。
地面段支持
建设地面测控站、数据中心和用户终端等设施，为卫星星 座提供全面的地面支持。
成功案例分享
铱星系统
卫星星座设计
设计基本出发点
以最少数量的卫星实现对指定区域的覆盖
6
6.2 卫星星座设计
卫星星座选择
续1
仰角要尽可能高 传输延时尽可能小 星上设备的电能消耗尽可能少 如果系统采用星际链路，则面内和面间的星际链路 干扰必须限制在可以接收的范围内 对不同国家、不同类型的服务，轨位的分配需要遵 循相应的规章制度 多重覆盖问题以支持特定业务(GPS定位)或提供有 QoS保证的业务
多标准，难以全球通用
蜂窝小区小，频率利用率高
全球通用
频率利用率低
提供足够的链路余量以补偿信号 遮蔽效应使得通信链路恶化 衰落 适合于人口密度高，业务量密集 适合于低人口密度、业务量 的城市环境 有限的农村环境
5
6.2 卫星星座设计
卫星星座的定义
具有相似的类型和功能的多颗卫星，分布在相似的 或互补的轨道上，在共享控制下协同完成一定的任 务
续4
sub-satellite point
c
/s
coverage edge of satellite
式中S是每轨道面的卫星数量
Street of coverage Nhomakorabea10
6.2 卫星星座设计
极轨道星座
顺行/逆行轨道面和‘缝隙(seam)’ π星座 由于存在逆向飞行现象， 星座第一个和最后一个 轨道面间的间隔小于其 它相邻轨道面间的间隔
续15
倾角85º 的单重全球覆盖近极轨道星座参数
) 1 (º 103.8252 97.3951 93.9877 66.2803 64.4511 63.3170 48.3551 47.6005 47.0729 38.0816 37.7000 37.4139 31.4151
卫星轨道星座及编队构形设计 ppt课件
15
图3 轨道参数图
16
下面讨论的卫星轨道要素是指单颗卫星。
轨道平面倾角i：轨道平面与赤道平面的夹角 轨道的偏心率e：对于椭圆轨道，是两个焦点之间的距离
与长轴之比。 轨道半长轴a：椭圆轨道中心到远地点的距离 升节点位置（又称为升交点赤经）：从春分点到地心的
连线和从升节点到地心的连线之间的夹角。 近地点幅角：从升节点到地心的连线与卫星近地点到地
全球导航卫星系统 外范·艾伦带 ICO, Spaceway NGSO Concordian of Ellipso Borealis of Ellipso 内范·艾伦带
低地球轨道LEO
中地球轨道MEO
静止轨道GEO
Spaceway，Astrolink，Inmarsat，Intelsat
比例尺 0
10,000 Km
45
最佳星座
选取最佳的轨道倾角和升节点的位置。
轨道高度尽可能低 最小仰角尽可能大 卫星数量尽可能少 对指定区域进行全天候的持续性覆盖
第2章 卫星轨道、星座及 编队构形设计
1
目录
2.1 卫星运动原理 2.2 卫星轨道要素及分类 2.3 卫星覆盖特性 2.4 星座设计 2.5 卫星编队构形设计
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
心连线的夹角。
卫星初始时刻的位置 ：卫星在初始时刻到地心的连 线与升节点到地心连线之间的夹角。其中 是初始时刻卫
星在轨道内的幅角，从升节点位置开始计算。
17
在卫星轨道的六个要素中，轨道倾角和 升节点位置决定轨道平面在惯性空间的 位置，近地点幅角决定轨道在轨道平面 内的指向，轨道半长轴和轨道偏心率决 定轨道的大小和形状。 对于圆轨道，只需要四个轨道参数，即轨 道高度、轨道倾角、升节点位置和某一 特定时刻卫星在轨道平面内距升节点的 角距。
图3 轨道参数图
16
下面讨论的卫星轨道要素是指单颗卫星。
轨道平面倾角i：轨道平面与赤道平面的夹角 轨道的偏心率e：对于椭圆轨道，是两个焦点之间的距离
与长轴之比。 轨道半长轴a：椭圆轨道中心到远地点的距离 升节点位置（又称为升交点赤经）：从春分点到地心的
连线和从升节点到地心的连线之间的夹角。 近地点幅角：从升节点到地心的连线与卫星近地点到地
全球导航卫星系统 外范·艾伦带 ICO, Spaceway NGSO Concordian of Ellipso Borealis of Ellipso 内范·艾伦带
低地球轨道LEO
中地球轨道MEO
静止轨道GEO
Spaceway，Astrolink，Inmarsat，Intelsat
比例尺 0
10,000 Km
45
最佳星座
选取最佳的轨道倾角和升节点的位置。
轨道高度尽可能低 最小仰角尽可能大 卫星数量尽可能少 对指定区域进行全天候的持续性覆盖
第2章 卫星轨道、星座及 编队构形设计
1
目录
2.1 卫星运动原理 2.2 卫星轨道要素及分类 2.3 卫星覆盖特性 2.4 星座设计 2.5 卫星编队构形设计
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
心连线的夹角。
卫星初始时刻的位置 ：卫星在初始时刻到地心的连 线与升节点到地心连线之间的夹角。其中 是初始时刻卫
星在轨道内的幅角，从升节点位置开始计算。
17
在卫星轨道的六个要素中，轨道倾角和 升节点位置决定轨道平面在惯性空间的 位置，近地点幅角决定轨道在轨道平面 内的指向，轨道半长轴和轨道偏心率决 定轨道的大小和形状。 对于圆轨道，只需要四个轨道参数，即轨 道高度、轨道倾角、升节点位置和某一 特定时刻卫星在轨道平面内距升节点的 角距。
卫星轨道及编队构形设计
3.5
( )
2
（2-3）
或者
（2-4）
漂移方向以地球自转方向为参考，式中的负号意味着：对顺行轨道（倾角小于 90°）升 交点向西漂移，对逆行轨道（倾角大于 90°）升交点向东漂移，对极轨道（倾角等于 90°） 升交点保持不变。 地球的扁平特性也会导致椭圆轨道的近地点幅角在轨道面内向前或向后旋转，旋转速度为
3．卫星轨道摄动的具体表现
（1）地球非球形引起的摄动，表现为：卫星的轨道面绕地轴缓慢转动，近地点位置变化。 （2）大气阻力的影响。卫星轨道的远地点降低，长轴缩短，即运行周期缩短。偏心率减 小，轨道越变越圆。 （3）日月的作用。由于太阳赤道面、地球赤道面、月球绕地球旋转平面、黄道面都是不同 的，因此围绕地球飞行的卫星受到不同引力场施加的不同方向外力，使得卫星轨道的倾角发生 改变。
图 2-5
卫星轨道按倾角分类
赤道轨道的倾角为 0°，轨道上卫星的运行方向与地球自转方向相同，且卫星相对于地面 的运动速度随着卫星高度的增加而降低，当轨道高度为 35786km 时，卫星运动速度与地球自 转的速度相同。如果此时轨道倾角为 0°，则卫星对地的运动速度几乎为零，这种轨道就是静 止（Geostationary）轨道；如果卫星的倾角不为 0°，则卫星仍然存在对地的相对运动，这样 的轨道称为地球同步（Geosynchronous）轨道，其星下点轨迹呈现出“8”字形。 极轨道的轨道面垂直于赤道平面，轨道倾角为 90°，卫星穿越地球的南北极。 顺行倾斜轨道的倾角在 0°到 90°之间，轨道上卫星在赤道面上投影的运行方向与地球自 转方向相同，因而称为顺行轨道。 逆行倾斜轨道的倾角在 90°到 180°之间，轨道上卫星在赤道面上投影的运行方向与地球 自转方向相反，因而称为逆行轨道。 太阳同步轨道：当卫星轨道角度大于 90°时，地球的非球形重力场使卫星的轨道平面由 西向东转动。适当调整卫星的高度、倾角、形状，可以使卫星轨道的转动角速度恰好等于地球
( )
2
（2-3）
或者
（2-4）
漂移方向以地球自转方向为参考，式中的负号意味着：对顺行轨道（倾角小于 90°）升 交点向西漂移，对逆行轨道（倾角大于 90°）升交点向东漂移，对极轨道（倾角等于 90°） 升交点保持不变。 地球的扁平特性也会导致椭圆轨道的近地点幅角在轨道面内向前或向后旋转，旋转速度为
3．卫星轨道摄动的具体表现
（1）地球非球形引起的摄动，表现为：卫星的轨道面绕地轴缓慢转动，近地点位置变化。 （2）大气阻力的影响。卫星轨道的远地点降低，长轴缩短，即运行周期缩短。偏心率减 小，轨道越变越圆。 （3）日月的作用。由于太阳赤道面、地球赤道面、月球绕地球旋转平面、黄道面都是不同 的，因此围绕地球飞行的卫星受到不同引力场施加的不同方向外力，使得卫星轨道的倾角发生 改变。
图 2-5
卫星轨道按倾角分类
赤道轨道的倾角为 0°，轨道上卫星的运行方向与地球自转方向相同，且卫星相对于地面 的运动速度随着卫星高度的增加而降低，当轨道高度为 35786km 时，卫星运动速度与地球自 转的速度相同。如果此时轨道倾角为 0°，则卫星对地的运动速度几乎为零，这种轨道就是静 止（Geostationary）轨道；如果卫星的倾角不为 0°，则卫星仍然存在对地的相对运动，这样 的轨道称为地球同步（Geosynchronous）轨道，其星下点轨迹呈现出“8”字形。 极轨道的轨道面垂直于赤道平面，轨道倾角为 90°，卫星穿越地球的南北极。 顺行倾斜轨道的倾角在 0°到 90°之间，轨道上卫星在赤道面上投影的运行方向与地球自 转方向相同，因而称为顺行轨道。 逆行倾斜轨道的倾角在 90°到 180°之间，轨道上卫星在赤道面上投影的运行方向与地球 自转方向相反，因而称为逆行轨道。 太阳同步轨道：当卫星轨道角度大于 90°时，地球的非球形重力场使卫星的轨道平面由 西向东转动。适当调整卫星的高度、倾角、形状，可以使卫星轨道的转动角速度恰好等于地球
卫星星座设计介绍
其它轨道定义2
Ellipso-type orbit.
– 主要用于城市商用通信 – HEO：保证卫星在地球的白天部分尽可能长
时间地逗留在服务城市上方，在地球的夜晚 部分逗留时间最短 – 太阳同步轨道：保证基本在同一时间访问需 要服务的城市 – 严格倾角：68.3度，保证近地点和远地点固 定不变，远地点接近服务城市上方。
– Streets-of-coverage constellation
»首先设计一个轨道面的覆盖域，然后复制轨道， 直到全球覆盖
异型星座
编队飞行（formation flying)
– The idea is to put a group of satellites in orbit around Earth and force them to fly in a geometric pattern such as a triangle.
：近地点角距
注：x为春分线方向
常见轨道
圆形轨道
– 对称、易分析、匀速运动 – 但是由于地球旋转，轨道在地面的投射速率是不均
匀的，在赤道处速率高于高纬度地区。 – GEO、LEO、MEO
高椭圆轨道(HEO:highly elliptical orbit)
– 高偏心率，如前苏联的Molniya orbit，周期12小时
quasihalo constellation
– around the L1 Lagrange point. L1 is a point between the sun and the Earth, roughly 1.5 million km away from Earth along the sun-Earth line (where Earth/sun gravitation balances with the rotational force to produce a relative equilibrium).
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第2章 卫星轨道、星座及 编队构形设计
目录
2.1 卫星运动原理 2.2 卫星轨道要素及分类 2.3 卫星覆盖特性 2.4 星座设计 2.5 卫星编队构形设计
2
2.1 卫星运动原理
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。
2.1.1 开普勒定律
（3）日月的引力作用
由于太阳赤道面、地球赤道面、月球绕地球运动平面、黄 道面都是不同的，因此围绕地球飞行的卫星受到不同引力 场施加的不同方向外力，使得卫星轨道的倾角发生改变。
11
2.2 卫星轨道要素及分类
卫星轨道要素 卫星轨道分类
12
2.2.1 卫星的轨道要素
轨道平面倾角i 轨道的半长轴a 轨道的偏心率e 升节点位置 近地点幅角 卫星初始时刻的位置
地球 静止轨道卫星
地球赤道平面
23°
太阳
7.3°
太阳赤道平面
黄道面
太阳、地球和月球的空间关系示意图
黄道面与太阳赤道平面间有大约7.3°的倾角，与地球赤道平 面间有大约23°的倾角；月球围绕地球旋转的平面与地球赤 道面间有大约5°的倾角。
9
2.1.2 卫星轨道摄动
轨道摄动：卫星在轨道运行时，由于受多种因素的 影响，实际轨道会不同程度的偏离由椭圆轨道方程 所确定的理想轨道，这一现象称为卫星轨道摄动。 卫星轨道摄动产生的原因：
长轴，r为卫星到地心的距离。u为开普勒常数，u值为
3.9860158*1014m3/s2。对于GEO卫星，v=3.07km/s。
5
开普勒第三定律：卫星运转周期的平方与轨道 半长轴的3次方成正比。
Ts 2
a3 u
u为开普勒常数，u值为3.9860158*1014m3/s2。
6
几个概念
• 天球：以地球为中心，以无限长为半径的球体。 过天球中心作一平面与天轴垂直，该平面称为天 赤道面；天赤道面与天球相交的大圆称为天赤道。
太阳同步轨道卫星可以在相同的当地时间和光 照条件下，多次拍摄同一地区的云层和地面目 标，气象卫星和资源卫星多采用这种轨道。
20
按卫星轨道的偏心率不同分
e
1
b a
2
圆轨道：偏心率为零的轨道，偏心率接近零的近圆轨 道有时也称为圆轨道。
椭圆轨道：偏心率在0和1之间的轨道。偏心率大于0.2 的轨道称为大偏心率椭圆轨道，又称大椭圆轨道。沿 椭圆轨道运行的卫星，探测的空间范围相对较大。
心连线的夹角。
卫星初始时刻的位置 ：卫星在初始时刻到地心的连 线与升节点到地心连线之间的夹角。其中 是初始时刻卫
星在轨道内的幅角，从升节点位置开始计算。
15
在卫星轨道的六个要素中，轨道倾角和 升节点位置决定轨道平面在惯性空间的 位置，近地点幅角决定轨道在轨道平面 内的指向，轨道半长轴和轨道偏心率决 定轨道的大小和形状。 对于圆轨道，只需要四个轨道参数，即轨 道高度、轨道倾角、升节点位置和某一 特定时刻卫星在轨道平面内距升节点的 角距。
• 黄道面：地球围绕太阳的公转轨道所在平面。由 于其它行星等天体的引力对地球影响，黄道面的 空间位置有持续的不规则变化，但其总是通过太 阳中心。
• 黄道：黄道面和天球相交的大圆。 • 春分点：天赤道平面和黄道的两个相交点的一个。
太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的那一 点称为春分点。
7
地心惯性坐标系
地球引力场的不均匀性：由于地球形状不规则 大气阻力 太阳光压：太阳能电池帆板的表面积大 太阳和月球引力
10
卫星轨道摄动的具体表现
(1) 地球非球形引起的摄动，表现为：
卫星的轨道面绕地轴缓慢转动
近地点位置变化
（2）大气阻力的影响
卫星轨道的远地点降低，长轴缩短，即运行周期缩短
偏心率减小，轨道愈变愈圆
18
赤道
赤道
赤道
赤道
（a）赤道轨道
（b）极轨道
（c）顺行倾斜轨道 （d）逆行倾斜轨道
图6 不同倾角的卫星轨道
19
太阳同步轨道
太阳同步轨道：当卫星轨道倾角大于90度时， 地球的非球形重力场使卫星的轨道平面由西向 东转动。适当调整卫星的高度、倾角、形状， 可以使卫星轨道的转动角速度恰好等于地球绕 太阳公转的平均角速度，这种轨道称为太阳同 步轨道。
抛物线轨道：偏心率为1的轨道。
双曲线轨道：偏心率大于1的轨道。
开普勒第一定律：卫星以地心为一个焦点做椭圆 运动。
3
r P
1 ecos
e
1
b a
2
Pa(1e2)
F
远 地
br
近 地
点
点
a
CO
ae
Re
a (1+e)
a (1-e)
图1 椭圆轨道的示意图
4
开普勒第二定律：卫星与地心的连线在相同时间 内扫过的面积相等。
V u(21) (km/s) ra
V为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭圆轨道的半
16
2.2.2 卫星轨道分类
按卫星轨道的倾角分 按卫星轨道的偏心率分 按轨道的高度分 按卫星轨道的重复特性分
17
按卫星轨道的倾角大小分
卫星轨道的倾角是指卫星轨道面与赤道平面的夹角。
赤道轨道：轨道倾角为0度，轨道面与赤道面重合。 极轨道：轨道倾角为90度，轨道平面通过地球南、北 极，与赤道平面垂直。 顺行轨道：轨道倾角大于0度而小于90度，将这种卫 星送入轨道，运载火箭需要朝偏东方向发射。利用地球 自西向东自转的一部分速度，从而节省运载火箭的能量。 逆行轨道：轨道倾角大于90度而小于180度，将这种 卫星送入轨道，运载火箭需要朝偏西方向发射。不能利 用地球自转速度来节约运载火箭的能量，反而要付出额 外的能量去克服一部分地球自转速度。
卫星轨道要素是指单颗卫星。
轨道平面倾角i：轨道平面与赤道平面的夹角 轨道的偏心率e：对于椭圆轨道，是两个焦点之间的距离
与长轴之比。 轨道半长轴a：椭圆轨道中心到远地点的距离 升节点位置（又称为升交点赤经）：从春分点到地心的
连线和从升节点到地心的连线之间的夹角。 近地点幅角：从升节点到地心的连线与卫星近地点到地
Z
降交点 交点线
赤道平面
春分点 X 方向
近地点
v
O
i 升交点
轨道平面
• 地心惯性坐标系： 以地心O为原点，X 轴和Y轴确定的平面 与赤道平面重合，X 轴指向春分点方向； Y Z轴与地球的自转轴 重合，指向北极点。 地心坐标系中的X、 Y、Z轴构成一个右 手坐标系。
8
太阳、地球、月球的空间关系
月球 5°
目录
2.1 卫星运动原理 2.2 卫星轨道要素及分类 2.3 卫星覆盖特性 2.4 星座设计 2.5 卫星编队构形设计
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2.1 卫星运动原理
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。
2.1.1 开普勒定律
（3）日月的引力作用
由于太阳赤道面、地球赤道面、月球绕地球运动平面、黄 道面都是不同的，因此围绕地球飞行的卫星受到不同引力 场施加的不同方向外力，使得卫星轨道的倾角发生改变。
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2.2 卫星轨道要素及分类
卫星轨道要素 卫星轨道分类
12
2.2.1 卫星的轨道要素
轨道平面倾角i 轨道的半长轴a 轨道的偏心率e 升节点位置 近地点幅角 卫星初始时刻的位置
地球 静止轨道卫星
地球赤道平面
23°
太阳
7.3°
太阳赤道平面
黄道面
太阳、地球和月球的空间关系示意图
黄道面与太阳赤道平面间有大约7.3°的倾角，与地球赤道平 面间有大约23°的倾角；月球围绕地球旋转的平面与地球赤 道面间有大约5°的倾角。
9
2.1.2 卫星轨道摄动
轨道摄动：卫星在轨道运行时，由于受多种因素的 影响，实际轨道会不同程度的偏离由椭圆轨道方程 所确定的理想轨道，这一现象称为卫星轨道摄动。 卫星轨道摄动产生的原因：
长轴，r为卫星到地心的距离。u为开普勒常数，u值为
3.9860158*1014m3/s2。对于GEO卫星，v=3.07km/s。
5
开普勒第三定律：卫星运转周期的平方与轨道 半长轴的3次方成正比。
Ts 2
a3 u
u为开普勒常数，u值为3.9860158*1014m3/s2。
6
几个概念
• 天球：以地球为中心，以无限长为半径的球体。 过天球中心作一平面与天轴垂直，该平面称为天 赤道面；天赤道面与天球相交的大圆称为天赤道。
太阳同步轨道卫星可以在相同的当地时间和光 照条件下，多次拍摄同一地区的云层和地面目 标，气象卫星和资源卫星多采用这种轨道。
20
按卫星轨道的偏心率不同分
e
1
b a
2
圆轨道：偏心率为零的轨道，偏心率接近零的近圆轨 道有时也称为圆轨道。
椭圆轨道：偏心率在0和1之间的轨道。偏心率大于0.2 的轨道称为大偏心率椭圆轨道，又称大椭圆轨道。沿 椭圆轨道运行的卫星，探测的空间范围相对较大。
心连线的夹角。
卫星初始时刻的位置 ：卫星在初始时刻到地心的连 线与升节点到地心连线之间的夹角。其中 是初始时刻卫
星在轨道内的幅角，从升节点位置开始计算。
15
在卫星轨道的六个要素中，轨道倾角和 升节点位置决定轨道平面在惯性空间的 位置，近地点幅角决定轨道在轨道平面 内的指向，轨道半长轴和轨道偏心率决 定轨道的大小和形状。 对于圆轨道，只需要四个轨道参数，即轨 道高度、轨道倾角、升节点位置和某一 特定时刻卫星在轨道平面内距升节点的 角距。
• 黄道面：地球围绕太阳的公转轨道所在平面。由 于其它行星等天体的引力对地球影响，黄道面的 空间位置有持续的不规则变化，但其总是通过太 阳中心。
• 黄道：黄道面和天球相交的大圆。 • 春分点：天赤道平面和黄道的两个相交点的一个。
太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的那一 点称为春分点。
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地心惯性坐标系
地球引力场的不均匀性：由于地球形状不规则 大气阻力 太阳光压：太阳能电池帆板的表面积大 太阳和月球引力
10
卫星轨道摄动的具体表现
(1) 地球非球形引起的摄动，表现为：
卫星的轨道面绕地轴缓慢转动
近地点位置变化
（2）大气阻力的影响
卫星轨道的远地点降低，长轴缩短，即运行周期缩短
偏心率减小，轨道愈变愈圆
18
赤道
赤道
赤道
赤道
（a）赤道轨道
（b）极轨道
（c）顺行倾斜轨道 （d）逆行倾斜轨道
图6 不同倾角的卫星轨道
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太阳同步轨道
太阳同步轨道：当卫星轨道倾角大于90度时， 地球的非球形重力场使卫星的轨道平面由西向 东转动。适当调整卫星的高度、倾角、形状， 可以使卫星轨道的转动角速度恰好等于地球绕 太阳公转的平均角速度，这种轨道称为太阳同 步轨道。
抛物线轨道：偏心率为1的轨道。
双曲线轨道：偏心率大于1的轨道。
开普勒第一定律：卫星以地心为一个焦点做椭圆 运动。
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r P
1 ecos
e
1
b a
2
Pa(1e2)
F
远 地
br
近 地
点
点
a
CO
ae
Re
a (1+e)
a (1-e)
图1 椭圆轨道的示意图
4
开普勒第二定律：卫星与地心的连线在相同时间 内扫过的面积相等。
V u(21) (km/s) ra
V为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭圆轨道的半
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2.2.2 卫星轨道分类
按卫星轨道的倾角分 按卫星轨道的偏心率分 按轨道的高度分 按卫星轨道的重复特性分
17
按卫星轨道的倾角大小分
卫星轨道的倾角是指卫星轨道面与赤道平面的夹角。
赤道轨道：轨道倾角为0度，轨道面与赤道面重合。 极轨道：轨道倾角为90度，轨道平面通过地球南、北 极，与赤道平面垂直。 顺行轨道：轨道倾角大于0度而小于90度，将这种卫 星送入轨道，运载火箭需要朝偏东方向发射。利用地球 自西向东自转的一部分速度，从而节省运载火箭的能量。 逆行轨道：轨道倾角大于90度而小于180度，将这种 卫星送入轨道，运载火箭需要朝偏西方向发射。不能利 用地球自转速度来节约运载火箭的能量，反而要付出额 外的能量去克服一部分地球自转速度。
卫星轨道要素是指单颗卫星。
轨道平面倾角i：轨道平面与赤道平面的夹角 轨道的偏心率e：对于椭圆轨道，是两个焦点之间的距离
与长轴之比。 轨道半长轴a：椭圆轨道中心到远地点的距离 升节点位置（又称为升交点赤经）：从春分点到地心的
连线和从升节点到地心的连线之间的夹角。 近地点幅角：从升节点到地心的连线与卫星近地点到地
Z
降交点 交点线
赤道平面
春分点 X 方向
近地点
v
O
i 升交点
轨道平面
• 地心惯性坐标系： 以地心O为原点，X 轴和Y轴确定的平面 与赤道平面重合，X 轴指向春分点方向； Y Z轴与地球的自转轴 重合，指向北极点。 地心坐标系中的X、 Y、Z轴构成一个右 手坐标系。
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太阳、地球、月球的空间关系
月球 5°