卫星轨道

一、与星座有关的基本概念
天文学的几个术语 升节点 春分点和秋分点 日心圆坐标系 地心赤道坐标系 太阳日 恒星日 世界时间和地方时
天文学的几个术语
天球：人们为了便于研究天体，假想以空间任意点为 中心，以无限长为半径所作的球。
天赤道：延伸地球赤道面而同天球相交的大圆称为 “天赤道”。
天极：向南北两个方向无限延长地球自转轴所在的直 线，与天球形成两个交点，分别叫作北天极与南天极。
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
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。
卫星的星下点：卫星瞬时位置和地球中心的连线与地球 表面的交点。 回归轨道：卫星的星下点轨迹在一天内重复ห้องสมุดไป่ตู้轨道，一 般地球自转周期与卫星轨道周期的比值为整数。 准回归轨道：卫星的星下点轨迹间隔N（整正数）日后 进行重复的轨道，当N=1时就是回归轨道。 非回归轨道：卫星的星下点轨迹不周期性重迭的轨道。
地方时：以地方子午圈为基准所决定的时间， 叫做地方时。在同一计量系统内，同一瞬间测 得地球上任意两点的地方时刻之差，在数值上 等于这两点的地理经度差。
二、卫星轨道的分类
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
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。
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。
沿抛物线和双曲线轨道运行，卫星将飞离地球的引力场。 行星探测器的星际航行，采用这两种轨道。
e
1
b a
2
圆、椭圆轨道的选择
全球卫星通信系统多采用圆轨道，可以均 匀覆盖南北球
区域卫星通信系统，若覆盖区域相对于赤 道不对称或覆盖区域纬度较高，则宜采用 椭圆轨道
按卫星轨道的高度分
低轨道(LEO)：轨道高度低于2000公里。 中轨道(MEO)：轨道高度在2000公里和
20000公里之间。 高轨道(HEO)：轨道高度大于20000公
里而又小于35786.6公里。 地球静止轨道(GEO)：轨道高度为
35786.6公里。
1500km-5000km，以3750km为中心
图7 范.艾伦带示意图
13000km-20000km，以18500km为中心
按卫星轨道的重复特性分
第2章 卫星轨道
目录
一、与星座有关的基本概念 二、卫星轨道的分类 三、卫星的轨道要素 四、卫星对地面的覆盖
参考书
张乃通等，《卫星移动通信系统》，北京： 电子工业出版社，2000年
张更新等，《卫星移动通信系统》，北京： 人民邮电出版社，2001年
王希季，李大耀。《卫星设计学》，上海： 上海科学技术出版社，1997年
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。
恒星日：一个恒星日定义为地球绕其轴自 转360o需的时间。一个恒星日要比一个太 阳日短，一个太阳日为24小时，而一个恒 星日约为 23小时 56分4.09秒。对于 GEO 卫星来说，为了与地面上的一点保持相对 静止，其轨道周期就必须是一个恒星日。
图5 太阳日和恒星日示意图
世界时间：为了在全世界范围内确定一个时间 基准，选择英国格林尼治的民用时间作为世界 时间（Universal Time，简记为 UT），因此， 世界时间有时也叫格林尼治标准时间 （Greenwich Mean Time，简记为 GMT）。
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。
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。
秋分点
春分点
黄道
天赤道 图4 春分点和秋分点示意图
日心（Heliocentric）椭圆坐标系：坐标系的原点是太阳 的中心，其XY基准平面与地球绕着太阳旋转的椭圆轨道面 重合。X轴定义为连接原点和椭圆面与地球赤道面的横断 面的连线，其正方向指向春分点方向。Y轴的正方向指向X 轴正方向的东方，Z轴的正方向指向原点的北方。
黄道：从地球上看，太阳于一年之内在恒星之间所走 的视路径，即地球的公转轨道平面和天球相交的大圆。 黄道和天赤道成23度26分的角，相交于春分点和秋分 点。
图2 地球、卫星、月球和太阳的相对位置
太阳
卫星
月球
地球
升节点（或升交点）：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。
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。