卫星轨道星座及编队构形设计 ppt课件
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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。
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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
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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°