卫星轨道星座及编队.ppt

本章参考文献2.1卫星运动原理图1椭圆轨道的示意图开普勒第三定律：卫星运转周期的平方与轨道半长轴的3次方成正比。

卫星轨道摄动产生的原因：
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
太阳和月球引力卫星的轨道面绕地轴缓慢转动
近地点位置变化太阳、地球和月球的空间关系示意图几个概念太阳、地球、月球的空间关系地心惯性坐标系2.2卫星轨道要素及分类2.2.1卫星的轨道要素图3轨道参数图
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。
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和地心连线的夹角。
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。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。2.2.2卫星轨道分类按卫星轨道的倾角大小分图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。按卫星轨道的偏心率不同分圆、椭圆轨道的选择按卫星轨道的高度分图7范.艾伦带示意图不同卫星系统的轨道高度按卫星轨道的重复特性分卫星星下点轨迹举例
►一颗轨道高度为13892km，轨道倾角60º，初始位置（0ºE，0ºN）的卫星24小时的星下点轨迹如下图所示卫星在外层空间沿着轨道运行，而地球在不断地自转。卫星在沿着椭圆轨道绕地球运行时，其后一圈运行的星下点轨迹一般不重复前一圈运行的星下点轨迹。
沿椭圆轨道运行的卫星在某一圈运行的星下点轨迹由以下方程决定（定义该圈运行通过升节点的时刻作为度量零点）。是卫星星下点的地心纬度，单位是度；是卫星星下点的地心经度，单位是度；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；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。图9圆轨道卫星星下点轨迹图卫星运动的速度和轨道周期分别为：其中e是地面上的通信终端对卫星的仰角，星下覆盖区对应的地球中心角γ(覆盖地心角)为：S是终端到卫星的距离，表示为：地球表面上，卫星的覆盖区域面积为：例题一根据公式：2.3卫星的覆盖特性图12单颗卫星覆盖带示意图星座覆盖形式持续性全球覆盖持续性地带覆盖2.4星座设计方法星座的覆盖卫星轨道与星座设计的指标最佳星座星座设计参数星座设计方法星座设计软件2.5.1编队飞行星座的概念
2.5.2编队飞行星座的应用
2.5.3编队卫星的相对运动分析2.5.1编队飞行星座的概念卫星编队模式
主从式：所有参与编队的卫星中有一颗作为主星，其它作为从星，主星与从星之间有星间链路，从星之间无星间链路
伴飞式：无主星，各星在物理关系上都处于相同的地位，但它们仍然在一个中心点周围运动，该中心点可看成是一个虚拟的主星，从星之间有星间链路
混合式：主从和伴飞的混合模式主从式编队
分布式星载微波雷达卫星
三维编队飞行组成电子侦察卫星
分布式气象卫星
间歇式区域三维无源导航卫星
高分辨率合成孔径光学静止侦察卫星2.5.3编队卫星的相对运动分析（1）三维编队飞行轨道动力学
从理论上说，小卫星编队飞行可以根据需要设计任意形状，但在实际中不可行，因为要消耗大量的燃料。（2）相对运动坐标系和地心惯性坐标系
卫星编队中的参考卫星为S，伴随卫星为C。设参考卫星S在在近圆轨道上运动，取参考卫星的轨道坐标系s-xyz作为相对运动坐标系。在参考卫星上建立轨道坐标系S-xyz作为研究整个编队的相对运动坐标系。Sx的方向沿着S的地心距方向指向外，Sy的方向在轨道面内垂直于Sx并指向运动方向，Sz与Sx和Sy构成右手坐标系。图中，OE-XEYEZE为地心惯性坐标系。由参考卫星和伴随卫星在地心惯性系中受到的力及由此引起的运动出发，推导伴随卫星在相对运动坐标系中的相对运动动力学方程。设伴随卫星和参考卫星在地心惯性系中的地心位置矢量分别为和，伴随卫星相对于参考卫星的位置矢量为，则参考卫星和伴随卫星在地心惯性坐标系中