02卫星轨道与导航分解课件.pptx

1、2022-12-612022-12-62n 假设假设 v地球为均质理想球体，质心在地心；地球为均质理想球体，质心在地心；v卫星质量卫星质量地球质量，可忽略；地球质量，可忽略；v卫星自身尺度卫星自身尺度卫星卫星-地球的距离，可视为质点；地球的距离，可视为质点；v忽略其它因素对卫星的作用力忽略其它因素对卫星的作用力 那么，根据理论力学，卫星在地球引力（有心力）那么，根据理论力学，卫星在地球引力（有心力）作用下的运动为平面运动，该平面称为轨道面，轨作用下的运动为平面运动，该平面称为轨道面，轨道面过地心。道面过地心。2022-12-63北北南南轨道轨道轨道平面轨道平面赤道平面赤道平面2022-12-6

2、422222 (2.6)d rdrdtdtrdrhdt=常数轨道轨道地心地心rvvv其中：其中：r 是卫星的矢径；是卫星的矢径；为幅角；为幅角；h 为积分常数。为积分常数。31423.986032 10mGMs2022-12-65n求解方程可得求解方程可得 A 为积分常数。令为积分常数。令 ，则，则221coshrAh2pheAp1cospre圆锥曲线，力心位于焦点上。圆锥曲线，力心位于焦点上。2022-12-66（近地点）（近地点）（远地点）（远地点）cc21aen当当e=0，轨道为圆。，轨道为圆。n当当e 1,卫星脱离太阳系引力，双曲线轨道卫星脱离太阳系引力，双曲线轨道恒星恒星无法对地球观

3、测。无法对地球观测。2022-12-68n卫星运行的轨道是一圆锥截线（圆、椭圆、抛物线、卫星运行的轨道是一圆锥截线（圆、椭圆、抛物线、双曲线），地球位于其中的一个焦点上。双曲线），地球位于其中的一个焦点上。椭圆轨道椭圆轨道圆圆轨轨道道双曲线双曲线轨道轨道抛物线抛物线轨道轨道2022-12-69n卫星的矢径在相等的时间扫过的面积相等。卫星的矢径在相等的时间扫过的面积相等。据此，可以推导出卫星在轨道上运行时的能量据此，可以推导出卫星在轨道上运行时的能量21-(2.10)22mmWmvra221 (2.11)vra卫星活力公式卫星活力公式v 近地点时，近地点时，由，由(2.7)式式 ，代入，代入(2

4、.11)式可得式可得v 远地点时，远地点时，v 圆形轨道时，圆形轨道时，021111peraaee 121 (2.12)11pevaeaae1 (2.13)1aevae (2.14)cvaRH16356.752km6371.009km7.912km/s6378.137kmcrrvvr极地平均赤道卫星入轨最小速度卫星入轨最小速度/第一宇宙速度第一宇宙速度v实现卫星椭圆轨道，必须克服地球引力，即实现卫星椭圆轨道，必须克服地球引力，即 但是，当但是，当 时，卫星轨道变成抛物线，卫星成为行时，卫星轨道变成抛物线，卫星成为行星。此时，由卫星活力公式星。此时，由卫星活力公式(2.11)可得卫星入轨速度应为

5、可得卫星入轨速度应为 因此，实现椭圆轨道的入轨速度因此，实现椭圆轨道的入轨速度 必须满足必须满足 当卫星入轨速度大至足以克服太阳引力时，便进入银河系，当卫星入轨速度大至足以克服太阳引力时，便进入银河系，成为恒星。此时，其入轨速度成为恒星。此时，其入轨速度 。a 222ecGm mmvmvvrrrrRH22211.2km s (2.18)pcvvvrev2 (2.19)cecvvv316.9km sv 2022-12-612n卫星轨道半长轴的三次方与其轨道运行周期二次方卫星轨道半长轴的三次方与其轨道运行周期二次方的比值为常数。的比值为常数。3223 42 (2.15)rTaT2022-12-61

6、3v例例1：NOAA卫星轨道离地表约卫星轨道离地表约850km，卫星周期，卫星周期 T=？vFY-1，H=830km，T=6080s=101.3min。31122242 (2.15)6.67259 10102min5.97370 1063788507228eeaTGmGNmkgTmkgr2022-12-614v例例2：地球同步卫星的轨道离地表有多高？：地球同步卫星的轨道离地表有多高？卫星在轨运行的角速度与地球相同，即卫星在轨运行的角速度与地球相同，即代入代入(2.15)式，有式，有 ，其中，其中2T11222456.67259 104216435786km5.97370 1027.292115

7、 1024 3600eeGmGNmkgrhmkgrad s32r2022-12-615n星下点轨迹星下点轨迹n升交点升交点/降交点降交点n升段升段/降段降段n倾角倾角n截距截距n轨道数轨道数n周期周期北北南南轨道轨道轨道平面轨道平面赤道平面赤道平面2022-12-616n卫星轨道参数卫星轨道参数v平均近点角平均近点角 其中：平均角速度其中：平均角速度 已知卫星通过近地的时刻已知卫星通过近地的时刻()，可以确定任意时，可以确定任意时刻刻(t )卫星的在轨位置。卫星的在轨位置。(2.20)pMn tt32 (2.21)nTapt：卫星在轨道平面内的：卫星在轨道平面内的升交点与近地点之间的夹角。升交

8、点与近地点之间的夹角。（近地点）（近地点）（远地点）（远地点）cc21ae真近点角真近点角coscoscos (2.26)cos1cos1cosEeeEeEe偏近点角偏近点角E2022-12-618n卫星定位的六个参数卫星定位的六个参数v轨道参数：半长轴轨道参数：半长轴 a，偏心率，偏心率 e，倾角，倾角 i；v通过计算获得的平均近点角通过计算获得的平均近点角 M，升交点赤经，升交点赤经 和近点和近点角角 ：00 (2.28a)dMMMttdt00 (2.28b)dttdt 00 (2.28c)dttdt2022-12-619n确定卫星在轨道平面的位置：计算真近点角确定卫星在轨道平面的位置：计

9、算真近点角 和矢量和矢量半径半径 r ：sin (2.27)pMn ttEeEcoscos (2.26)1cosEeeE1cos (2.25)raeE2022-12-620n在以地心为中心、轨道平面所在在以地心为中心、轨道平面所在的的X-Y平面（近地点位于平面（近地点位于X轴正轴正向）所处的天球坐标系中，卫星向）所处的天球坐标系中，卫星矢径的笛卡尔坐标可以表示为矢径的笛卡尔坐标可以表示为（）：）：cossin (2.29)0 xryrz2022-12-621n将矢径绕将矢径绕Z轴旋转近地点角轴旋转近地点角 ，得，得到新的矢径到新的矢径 （）：rcos sin 0sin cos 00 0 1co

10、ssin sincos (2.30)xxyyzzxyxyz2022-12-622n将轨道平面绕将轨道平面绕X轴转动倾角轴转动倾角 i，得，得到新矢径矢径到新矢径矢径 （）：）：r1 0 00 cos sin0 sin cos cossin (2.31)sincosxxyiiyziizxyiziyizi2022-12-623n将轨道平面绕将轨道平面绕Z轴转动升交点赤轴转动升交点赤经经 ，得到新矢径矢径，得到新矢径矢径 （）：）：rcos sin 0sin cos 00 0 1cossin sincos (2.32)xxyyzzxyxyz 2022-12-624n矢径矢径 就是就是 t 时刻卫星在

11、天球坐标系中的位置：时刻卫星在天球坐标系中的位置：r222arcsin (2.33)arctgsatsatsatsatrxyzrzryz卫星的轨道半径卫星的轨道半径卫星的赤纬卫星的赤纬卫星的升交点赤经卫星的升交点赤经2022-12-6252022-12-626n地心到卫星的矢径为：地心到卫星的矢径为：n地心到天线的矢径为：地心到天线的矢径为：coscoscossin (2.38)sinssssssssssssxrryrzr coscoscossin (2.39)sineeeeeeeeeeeexrryrzr 2022-12-627n假设地球是球形，则卫星天顶角假设地球是球形，则卫星天顶角 的余弦

12、为：的余弦为：卫星方位角卫星方位角 为：为：satcos (2.40)eDsateDr rrr cos (2.44)NHNHrrrr 2022-12-6282022-12-629从地球观察卫星运行轨道从地球观察卫星运行轨道For the given orbiting parameters:Inclination angle=35,Orbit height =350km,Circular orbit2022-12-633n气象卫星的发展分为近极地轨道（又称近极地太阳气象卫星的发展分为近极地轨道（又称近极地太阳同步轨道）卫星系列和地球静止轨道（又称地球同同步轨道）卫星系列和地球静止轨道（又称地球同

13、步轨道）卫星系列两类；它们分别又经历实验步轨道）卫星系列两类；它们分别又经历实验-业务业务使用卫星阶段。使用卫星阶段。n此外，还有近年来发展的观测试验卫星、海洋卫星、此外，还有近年来发展的观测试验卫星、海洋卫星、陆地卫星、陆地卫星、GPS掩星亦可提供气象观测资料。掩星亦可提供气象观测资料。2022-12-635v卫星轨道平面的进动率卫星轨道平面的进动率 如果如果 ，即卫星轨道为，即卫星轨道为，则，则 ，表明卫星轨道平面表明卫星轨道平面进动；进动；如果如果 ，即卫星轨道为，即卫星轨道为，则则 ，表明卫星轨道平面，表明卫星轨道平面进动。进动。3.52210cos (2.46)1dRidtae 90

14、i 0ddt90180i 0ddtNS2022-12-636nR赤道赤道R极地极地摄动力摄动力 f 时，轨道平面自东向西进动；时，轨道平面自东向西进动；时，时，轨道平面自西向东进动。轨道平面自西向东进动。90i 90180i 2022-12-637v卫星轨道平面长轴的旋转卫星轨道平面长轴的旋转v升（降）降交点周期升（降）降交点周期v近地点周期近地点周期3.52221051cos (2.48)221dRidtae23 222222231 5cos11 3cos (2.50)41NaRiPJiae23 22222231 5cos1 (2.51)41aaRiPJae321.08228 10J2022

15、-12-638n空气阻力对卫星轨道的影响空气阻力对卫星轨道的影响v空气阻力使卫星动能不断减小，轨道日益缩小，偏心率逐空气阻力使卫星动能不断减小，轨道日益缩小，偏心率逐渐减小，变化率为：渐减小，变化率为：242 (2.53)3DACaTaaTm 21 (2.54)3TeeT 2022-12-639n太阳、月球引力对卫星轨道的影响太阳、月球引力对卫星轨道的影响在静止卫星轨道高度上：在静止卫星轨道高度上：v太阳引力是地球引力的太阳引力是地球引力的1/37；v月球引力是地球引力的月球引力是地球引力的1/6800；n太阳辐射压力对卫星轨道的影响太阳辐射压力对卫星轨道的影响v太阳直接辐射和地球反射辐射产生

16、的辐射压力太阳直接辐射和地球反射辐射产生的辐射压力v当地球与太阳在卫星轨道平面成一线时引起圆形轨道的变当地球与太阳在卫星轨道平面成一线时引起圆形轨道的变化率为：化率为：cos (2.55)fkSAa c33 (2.56)kSAaamc 2022-12-640n资料应用方便（圆形轨道，太阳同步，对地静资料应用方便（圆形轨道，太阳同步，对地静止止）n长期观测（卫星成本，数据一致性长期观测（卫星成本，数据一致性-气候研究）气候研究）n连续观测（时间分辨率高）连续观测（时间分辨率高）n空间分辨率（中小尺度天气，地表特征空间分辨率（中小尺度天气，地表特征）n综合观测（大气、地表、太阳综合观测（大气、地表

17、、太阳）n资料精度（如资料精度（如 T1.0C）2022-12-641n地球绕太阳逆时针公转地球绕太阳逆时针公转()卫星出现在卫星出现在同一地点的时件提前同一地点的时件提前 。因此，必。因此，必须利用轨道平面的进动加以抵消须利用轨道平面的进动加以抵消采用后退轨道，且轨道平采用后退轨道，且轨道平面的进动速率为面的进动速率为 。这样，才能保证卫星每天正好。这样，才能保证卫星每天正好在相同时刻出现在同一观测地点。在相同时刻出现在同一观测地点。360 3650.986dd24 60min0.9864min360 0.986 d3：00地地球球轨轨道道15：00太太 阳阳卫星轨道卫星轨道春春夏夏秋秋冬冬

18、9：0021：00 地地球球轨轨道道太太 阳阳卫星轨道卫星轨道春春夏夏秋秋冬冬15：0015：0015：0015：002022-12-643 根据根据(2.46)式，有式，有 如果太阳同步轨道是圆形轨道，则如果太阳同步轨道是圆形轨道，则a=R+H，e=0，则，则 实现太阳同步轨道的条件实现太阳同步轨道的条件3.52210cos0.986 (2.57)1dRiddtae 3.5arccos9.86 (2.58)RHiR 2022-12-644n优点优点v轨道近于圆形，轨道预告、资料接收和定位处理比较方便；轨道近于圆形，轨道预告、资料接收和定位处理比较方便；v可以实现全球观测，尤其是极地地区；可以

19、实现全球观测，尤其是极地地区；v观测时有合适的光照条件，有利于资料处理和使用；观测时有合适的光照条件，有利于资料处理和使用；v仪器可以得到充分的太阳能供给。仪器可以得到充分的太阳能供给。n缺点缺点v对中低纬度同一地点观测的时间间隔太长（相对于对中低纬度同一地点观测的时间间隔太长（相对于GEO），），不利对中小尺度天气系统的监测；不利对中小尺度天气系统的监测；v相临两条轨道的观测资料时间差达相临两条轨道的观测资料时间差达100多分钟，拼图不利。多分钟，拼图不利。2022-12-645n轨道平面与地球赤道平面重合，即轨道平面倾角轨道平面与地球赤道平面重合，即轨道平面倾角 i=0；n卫星公转方向与地

20、球自转方向一致；卫星公转方向与地球自转方向一致；n卫星运行周期与地球自转周期（卫星运行周期与地球自转周期（23小时小时56分分04秒）相同。秒）相同。由由31233 2 (2.15)235860TaaRHTHkm2022-12-646n地球扁椭球体引起的飘移地球扁椭球体引起的飘移 当当i=0时，由时，由 表明静止卫星每天在轨道上表明静止卫星每天在轨道上进动进动3.52210cos (2.57)10.01332dRidtaedddt 实际卫星轨道会有一点椭圆形，倾角也很难正好等于实际卫星轨道会有一点椭圆形，倾角也很难正好等于0，常有约常有约1的倾角。这种误差会使卫星的星下点在以赤的倾角。这种误差

21、会使卫星的星下点在以赤道为中心的两侧产生道为中心的两侧产生“8”字形的摆动。字形的摆动。2022-12-648n若在地球同步轨道上每隔若在地球同步轨道上每隔3 放置一颗卫星，可放置放置一颗卫星，可放置共共120 颗卫星，两颗相邻卫星间的距离为颗卫星，两颗相邻卫星间的距离为2210.04公公里，地面站接收天线波束宽度应小于里，地面站接收天线波束宽度应小于2 0.5。2022-12-649n轨道参数偏差引起的飘移轨道参数偏差引起的飘移v静止卫星轨道并非完全的圆形轨道静止卫星轨道并非完全的圆形轨道卫星在轨道上有东西飘移卫星在轨道上有东西飘移；v静止卫星轨道约有静止卫星轨道约有1倾角倾角卫星有南北飘移

22、。卫星有南北飘移。n卫星食和太阳干扰卫星食和太阳干扰 春分和秋分时最甚（春分和秋分时最甚（）太太阳阳太太阳阳 2022-12-650n优点优点v轨道高度高，视野开阔；轨道高度高，视野开阔；v观测数据的时间分辨率比较高；观测数据的时间分辨率比较高；n缺点缺点v无法观测极区；无法观测极区；v观测数据的空间分辨率比较低；观测数据的空间分辨率比较低；v对观测仪器的性能要求比较高；对观测仪器的性能要求比较高；2022-12-651850 KM35 800 KmSUBSATELLITE POINTGOMS(Russian Federation)76EMETEOSAT(EUMETSAT)63 EGMS(Ja

23、pan)140EFY-2(China)105EGOES-E(USA)75WTIROS(USA)GOES-W(USA)135W GEOSTATIONARY ORBIT METEOR(Russian Federation)Polar orbi tMETEOSAT(EUMETSAT)0 Longitude(China)FY-1 2022-12-652n极轨卫星发射过程极轨卫星发射过程v垂直上升段：以最短距离穿过大气层；垂直上升段：以最短距离穿过大气层；v转弯飞行段：将火箭引向预定的轨道方向飞行；转弯飞行段：将火箭引向预定的轨道方向飞行；v自由飞行段：惯性飞行；自由飞行段：惯性飞行；v入轨段：火箭到达

24、卫星轨道高度、速度和方向，星箭分离，入轨段：火箭到达卫星轨道高度、速度和方向，星箭分离，卫星入轨。卫星入轨。2022-12-653n静止卫星发射过程（静止卫星发射过程（）v火箭将卫星送入初始轨道（约火箭将卫星送入初始轨道（约180-250km）；）；v当卫星运行至于赤道平面相交时，点燃近地点发动机，将当卫星运行至于赤道平面相交时，点燃近地点发动机，将卫星送入转移轨道（远地点高度为卫星送入转移轨道（远地点高度为35680km、偏心率很大、偏心率很大的椭圆轨道）；的椭圆轨道）；v当卫星在转移轨道上运行几周，到达远地点赤道上空时，当卫星在转移轨道上运行几周，到达远地点赤道上空时，点燃远地点发动机，使卫星偏离椭圆轨道，进入近静止轨点燃远地点发动机，使卫星偏离椭圆轨道，进入近静止轨道（圆形漂移轨道）；道（圆形漂移轨道）；v适当修正，使卫星进入静止轨道。适当修正，使卫星进入静止轨道。2022-12-654n卫星姿态卫星姿态v自旋稳定自旋稳定v三轴定向稳定三轴定向稳定v重力梯度稳定重力梯度稳定n静止卫星的控制静止卫星的控制v卫星上装有横向和纵向气体喷射推进系统修正卫星漂移卫星上装有横向和纵向气体喷射推进系统修正卫星漂移n卫星的结构与形状卫星的结构与形状n卫星电源卫星电源n卫星通讯系统卫星通讯系统