卫星轨道和位置
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摘要
本文主要在已知水星的远日点和绕日运行的线速度的条件下,通过建立微分方程模型,使用解析法和数值方法求解水星的轨道方程与位置。解析法的求解的过程中,结合了开普勒三大定律,准确的给出了微分方程的精确解,求得水星到太阳的最近距离)(104.601610m r m ⨯≈,水星绕太阳运行的周期约为88天。数值计算求解水星自远日点运行50天后的位置时,本文分别采用了Simpson 求积法,基于压缩映射的求根方法以及经典的四阶龙格—库塔法,使用matlab 数学软件编程,得到了较为合理的行星运行模型的近似解,三种方法所得结果对应分1 3.791θ=,101 4.76710r ≈⨯,
2 3.791θ=,102 4.76710r ≈⨯及
3 3.802θ=,103 4.77910r ≈⨯。
关键词 行星轨道 微分方程 Simpson 法 四阶龙格—库塔法 matlab
一. 问题重述
水星到太阳的最远距离为110.698210⨯m ,此时水星绕太阳运行的线速度为43.88610⨯ m /s 。试求
问题一 水星到太阳的最近距离 问题二 水星绕太阳运行的周期
问题三 从远日点开始的第50天(地球天)结束时水星的位置并画出轨道曲线
二. 问题分析
求水星到太阳的最近距离以及水星绕太阳运行的周期等,需要先将水星轨道方程
求出,因此可以根据Newton 第二定律及万有引力定律222i mMG d Z
e m r dt
θ-=,建立微
分方程模型,将原问题转化为求解带有初值条件的微分方程问题,进而采用解析法或数值方法求解远日点和周期。
三. 模型假设
1.水星运行的轨道是以太阳为一个焦点的椭圆 2.从太阳指向水星的线段在单位时间内扫过的面积相等 3.水星运行周期的平方与其运行轨道椭圆长轴的立方之比为常量
四. 符号系统
1.0v 水星在远日点的线速度 2. M 太阳的质量 3. m 水星的质量 4. o r 水星在远日点的距离 5. T 周期
五. 建立模型与求解
模型一 水星的轨迹方程
设太阳中心所在的位置为复平面的原点O ,在时刻t ,水星位于 ()i Z t re θ=
所表示的点P 。这里(),()r r t t θθ==均为t 的函数,分别表示()Z t 的模和辐角。于是水星的速度为
()i i i dZ dr d dr d e ire e ir dt dt dt dt dt
θθθθθ=+=+,加速度为2222222(())(2)i d Z
d r d d dr d
e r i r dt
dt dt dt dt dt θθθθ⎡⎤
=-++⎢⎥⎣⎦
()
,而太阳对行星的引力依万有引力定律,大小为
2mMG r ,方向由行星位置P 指向太阳的中心O,故为
2
i mMG e r θ
-,其中301.98910()M kg =⨯为太阳的质量,m 为水星的质量,11226.67210(/)G N m kg -=⨯⋅为
万有引力常数。
依Newton 定律,我们得到 222i mMG d Z
e m r dt
θ-= ,将()代入,然后比较实部
与虚部,就有
222
22
220()d dr d r dt dt dt
d r d MG r dt dt r θθθ⎧+=⎪⎪⎨⎪-=-⎪⎩ 这是两个未知函数的二阶微分方程组。在确定某一行星轨道时,需要加上定解条件。假设当t=0时,行星正处于远日点,而远日点位于正实轴上,距原点O 为0r ,行星的速度为0v 。那么就有初值条件:
00
000
000
t t t t r r dr
dt v d dt r θθ====⎧=⎪
=⎪⎪⎪=⎨⎪⎪=⎪⎪⎩
因此问题转化为求解带初值问题的微分方程组
22
2
22
2
00
000
020()00t t t t d dr d r dt dt dt d r d MG r dt dt r r r dr
dt v d dt r θθθθθ====⎧+=⎪⎪⎪-=-⎪⎪=⎪⎪⎨
=⎪⎪=⎪⎪⎪=⎪⎪⎩
又将2220d dr d r dt dt dt θθ+=两边同乘以r ,即得2()0d d r dt dt θ=,从而21d r c dt
θ
=()
,其中100c r v =,这样有向线段OP 在时间t ∆内扫过的面积等于
21122
t t
t
c t
d r dt dt θ
+∆∆=⎰
,
这个正是Kepler 的第二定律,从太阳指向水星的线段在单位时间内扫过的面积相等。
将()代入2222()d r d MG r dt dt r θ-=-得221232c d r MG
dt r r
-=-,于是我们可以得到水星运
行的较为简单形式的数学模型:
2212321200
0000t t t c d r MG
dt r r c d dt r r r dr
dt
θθ===⎧-=-⎪⎪
⎪=⎪⎪
=⎨⎪⎪=⎪⎪=⎪⎩
为了求得行星的轨迹方程,要消去变量t ,令1r u =
,那么12c d dt r
θ=可以改写为21d c u dt
θ
=从而
22
2211122
()dr d du d u d d u c c c u dt dt d d dt d θθθθ=-=-=-将上式代入
221232c d r MG dt r r -=-,化简后为221d u u d p θ+= ,其中21c p MG
=,引进1
u u p =-,立即可以求出01
cos()u u A p
θθ-==-,这里A 和0θ是待定的常数。记e Ap =,上式可以写为
01cos()
p
r e θθ=
--
这个就是水星的轨道方程,是一条平面二次曲线。由于水星绕太阳运行,故必有01e <<。由于r 在t=0时取道最大值0r (远日点),这个就意味着此时函数
0cos()θθ-取道最大值 1.于是就有 00
0,1p
e r θ==-
,从而轨迹方程为 1cos p
r e θ
=
-。对于水星而言,114000.69810(), 3.88610(/)r m v m s =⨯=⨯,又水星的
近日点到太阳的距离1cos 1m p p
r e e
π=
=-+。依据已知数据,可知
15
2
100 2.71310(/)c r v m s =≈⨯,2
101 5.54710()c p m MG =≈⨯,0
10.2055p e r =-≈,从而计算水星到太阳的最近距离为)(104.601610m r m ⨯≈ 模型二 水星的运行周期