衛(wèi)星軌道與導(dǎo)航分解

衛(wèi)星軌道與導(dǎo)航分解2023/1/132衛(wèi)星的運動規(guī)律

假設(shè)地球為均質(zhì)理想球體，質(zhì)心在地心；衛(wèi)星質(zhì)量<<地球質(zhì)量，可忽略；衛(wèi)星自身尺度<<衛(wèi)星-地球的距離，可視為質(zhì)點；忽略其它因素對衛(wèi)星的作用力那么，根據(jù)理論力學(xué)，衛(wèi)星在地球引力（有心力）作用下的運動為平面運動，該平面稱為軌道面，軌道面過地心。第1頁/共54頁2023/1/133衛(wèi)星的運動規(guī)律北南軌道軌道平面赤道平面第2頁/共54頁2023/1/134衛(wèi)星的運動方程=常數(shù)軌道地心其中：r

是衛(wèi)星的矢徑；為幅角；；h

為積分常數(shù)。第3頁/共54頁2023/1/135衛(wèi)星的運動方程求解方程可得

A

為積分常數(shù)。令，，則——圓錐曲線，力心位于焦點上。第4頁/共54頁2023/1/136（近地點）（遠地點）衛(wèi)星的運動方程當(dāng)e=0，，軌道為圓。當(dāng)e<1，橢圓軌道，以地心為焦點，焦點與橢圓中心不重合，，。近地點；遠地點。第5頁/共54頁2023/1/137衛(wèi)星的運動方程當(dāng)e=1,衛(wèi)星脫離地球引力，拋物線軌道太陽行星無法對地觀測；當(dāng)e>1,衛(wèi)星脫離太陽系引力，雙曲線軌道恒星無法對地球觀測。第6頁/共54頁2023/1/138衛(wèi)星運動三定律衛(wèi)星運行的軌道是一圓錐截線（圓、橢圓、拋物線、雙曲線），地球位于其中的一個焦點上。橢圓軌道圓軌道雙曲線軌道拋物線軌道第7頁/共54頁2023/1/139衛(wèi)星運動三定律衛(wèi)星的矢徑在相等的時間掃過的面積相等。據(jù)此，可以推導(dǎo)出衛(wèi)星在軌道上運行時的能量——衛(wèi)星活力公式第8頁/共54頁近地點時，，由(2.7)式，代入(2.11)式可得遠地點時，圓形軌道時，——衛(wèi)星入軌最小速度/第一宇宙速度第9頁/共54頁實現(xiàn)衛(wèi)星橢圓軌道，必須克服地球引力，即但是，當(dāng)時，衛(wèi)星軌道變成拋物線，衛(wèi)星成為行星。此時，由衛(wèi)星活力公式(2.11)可得衛(wèi)星入軌速度應(yīng)為因此，實現(xiàn)橢圓軌道的入軌速度必須滿足當(dāng)衛(wèi)星入軌速度大至足以克服太陽引力時，便進入銀河系，成為恒星。此時，其入軌速度。第10頁/共54頁2023/1/1312衛(wèi)星運動三定律衛(wèi)星軌道半長軸的三次方與其軌道運行周期二次方的比值為常數(shù)。第11頁/共54頁2023/1/1313衛(wèi)星運動三定律例1：NOAA衛(wèi)星軌道離地表約850km，衛(wèi)星周期T=？FY-1，H=830km，T=6080s=101.3min。第12頁/共54頁2023/1/1314衛(wèi)星運動三定律例2：地球同步衛(wèi)星的軌道離地表有多高？衛(wèi)星在軌運行的角速度與地球相同，即代入(2.15)式，有，其中第13頁/共54頁2023/1/1315衛(wèi)星軌道參數(shù)星下點軌跡升交點/降交點升段/降段傾角截距軌道數(shù)周期北南軌道軌道平面赤道平面第14頁/共54頁2023/1/1316衛(wèi)星定位衛(wèi)星軌道參數(shù)平均近點角其中：平均角速度已知衛(wèi)星通過近地的時刻()，可以確定任意時刻(t

)衛(wèi)星的在軌位置。近點角：衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)的升交點與近地點之間的夾角。第15頁/共54頁（近地點）（遠地點）真近點角偏近點角E第16頁/共54頁2023/1/1318衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位的六個參數(shù)軌道參數(shù)：半長軸a

，偏心率e

，傾角i

；通過計算獲得的平均近點角M

，升交點赤經(jīng)和近點角：第17頁/共54頁2023/1/1319矢量旋轉(zhuǎn)法定位衛(wèi)星確定衛(wèi)星在軌道平面的位置：計算真近點角和矢量半徑r

：第18頁/共54頁2023/1/1320矢量旋轉(zhuǎn)法定位衛(wèi)星在以地心為中心、軌道平面所在的X-Y平面（近地點位于X軸正向）所處的天球坐標系中，衛(wèi)星矢徑的笛卡爾坐標可以表示為（圖2.5a）：第19頁/共54頁2023/1/1321矢量旋轉(zhuǎn)法定位衛(wèi)星將矢徑繞Z軸旋轉(zhuǎn)近地點角，得到新的矢徑（圖2.5b）：第20頁/共54頁2023/1/1322矢量旋轉(zhuǎn)法定位衛(wèi)星將軌道平面繞X軸轉(zhuǎn)動傾角i，得到新矢徑矢徑（圖2.5c）：第21頁/共54頁2023/1/1323矢量旋轉(zhuǎn)法定位衛(wèi)星將軌道平面繞Z軸轉(zhuǎn)動升交點赤經(jīng)，得到新矢徑矢徑（圖2.5d）：第22頁/共54頁2023/1/1324矢量旋轉(zhuǎn)法定位衛(wèi)星矢徑就是t

時刻衛(wèi)星在天球坐標系中的位置：——衛(wèi)星的軌道半徑——衛(wèi)星的赤緯——衛(wèi)星的升交點赤經(jīng)第23頁/共54頁2023/1/1325衛(wèi)星跟蹤第24頁/共54頁2023/1/1326衛(wèi)星跟蹤地心到衛(wèi)星的矢徑為：地心到天線的矢徑為：第25頁/共54頁2023/1/1327衛(wèi)星定位與跟蹤假設(shè)地球是球形，則衛(wèi)星天頂角的余弦為：衛(wèi)星方位角為：第26頁/共54頁2023/1/1328衛(wèi)星軌道報釋義及應(yīng)用第27頁/共54頁2023/1/1329第28頁/共54頁從地球觀察衛(wèi)星運行軌道第29頁/共54頁第30頁/共54頁Forthegivenorbitingparameters:

Inclinationangle=35,Orbitheight=350km,CircularorbitTRMMsub-satellitetrack第31頁/共54頁2023/1/1333氣象衛(wèi)星軌道氣象衛(wèi)星的發(fā)展分為近極地軌道（又稱近極地太陽同步軌道）衛(wèi)星系列和地球靜止軌道（又稱地球同步軌道）衛(wèi)星系列兩類；它們分別又經(jīng)歷實驗-業(yè)務(wù)使用衛(wèi)星階段。此外，還有近年來發(fā)展的觀測試驗衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、陸地衛(wèi)星、GPS掩星亦可提供氣象觀測資料。第32頁/共54頁第33頁/共54頁2023/1/1335衛(wèi)星軌道的攝動衛(wèi)星軌道平面的進動率如果，即衛(wèi)星軌道為前進軌道，則，表明衛(wèi)星軌道平面自東向西進動；如果，即衛(wèi)星軌道為后退軌道，則，表明衛(wèi)星軌道平面自西向東進動。NS第34頁/共54頁2023/1/1336衛(wèi)星軌道的攝動R赤道>R極地攝動力f

時，軌道平面自東向西進動；時，軌道平面自西向東進動。第35頁/共54頁2023/1/1337衛(wèi)星軌道的攝動衛(wèi)星軌道平面長軸的旋轉(zhuǎn)升（降）降交點周期近地點周期第36頁/共54頁2023/1/1338衛(wèi)星軌道的攝動空氣阻力對衛(wèi)星軌道的影響空氣阻力使衛(wèi)星動能不斷減小，軌道日益縮小，偏心率逐漸減小，變化率為：第37頁/共54頁2023/1/1339衛(wèi)星軌道的攝動太陽、月球引力對衛(wèi)星軌道的影響在靜止衛(wèi)星軌道高度上：太陽引力是地球引力的1/37；月球引力是地球引力的1/6800；太陽輻射壓力對衛(wèi)星軌道的影響太陽直接輻射和地球反射輻射產(chǎn)生的輻射壓力當(dāng)?shù)厍蚺c太陽在衛(wèi)星軌道平面成一線時引起圓形軌道的變化率為：第38頁/共54頁2023/1/1340氣象衛(wèi)星探測的要求資料應(yīng)用方便（圓形軌道，太陽同步，對地靜止……）長期觀測（衛(wèi)星成本，數(shù)據(jù)一致性-氣候研究）連續(xù)觀測（時間分辨率高）空間分辨率（中小尺度天氣，地表特征……）綜合觀測（大氣、地表、太陽……）資料精度（如T<1.0°C）第39頁/共54頁2023/1/1341太陽同步軌道的實現(xiàn)地球繞太陽逆時針公轉(zhuǎn)()衛(wèi)星出現(xiàn)在同一地點的時件提前。因此，必須利用軌道平面的進動加以抵消采用后退軌道，且軌道平面的進動速率為。這樣，才能保證衛(wèi)星每天正好在相同時刻出現(xiàn)在同一觀測地點。第40頁/共54頁3：00地球軌道15：00太陽衛(wèi)星軌道春夏秋冬9：0021：00

地球軌道太陽衛(wèi)星軌道春夏秋冬15：0015：0015：0015：00第41頁/共54頁2023/1/1343太陽同步軌道的實現(xiàn)

根據(jù)(2.46)式，有如果太陽同步軌道是圓形軌道，則a=R+H，e=0，則

——實現(xiàn)太陽同步軌道的條件第42頁/共54頁2023/1/1344太陽同步軌道的特點優(yōu)點軌道近于圓形，軌道預(yù)告、資料接收和定位處理比較方便；可以實現(xiàn)全球觀測，尤其是極地地區(qū)；觀測時有合適的光照條件，有利于資料處理和使用；儀器可以得到充分的太陽能供給。缺點對中低緯度同一地點觀測的時間間隔太長（相對于GEO），不利對中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測；相臨兩條軌道的觀測資料時間差達100多分鐘，拼圖不利。第43頁/共54頁2023/1/1345地球同步衛(wèi)星軌道的實現(xiàn)軌道平面與地球赤道平面重合，即軌道平面傾角i=0；衛(wèi)星公轉(zhuǎn)方向與地球自轉(zhuǎn)方向一致；衛(wèi)星運行周期與地球自轉(zhuǎn)周期（23小時56分04秒）相同。由第44頁/共54頁2023/1/1346地球同步衛(wèi)星軌道的實現(xiàn)地球扁橢球體引起的飄移

當(dāng)i=0時，由

——表明靜止衛(wèi)星每天在軌道上自東向西進動

實際衛(wèi)星軌道會有一點橢圓形，傾角也很難正好等于0°，常有約1°的傾角。這種誤差會使衛(wèi)星的星下點在以赤道為中心的兩側(cè)產(chǎn)生“8”字形的擺動。第45頁/共54頁第46頁/共54頁2023/1/1348地球同步衛(wèi)星軌道的有效利用若在地球同步軌道上每隔3放置一顆衛(wèi)星，可放置共120顆衛(wèi)星，兩顆相鄰衛(wèi)星間的距離為2210.04公里，地面站接收天線波束寬度應(yīng)小于20.5。第47頁/共54頁2023/1/1349地球同步衛(wèi)星軌道的實現(xiàn)軌道參數(shù)偏差引起的飄移靜止衛(wèi)星軌道并非完全的圓形軌道衛(wèi)星在軌道上有東西飄移；靜止衛(wèi)星軌道約有1°傾角衛(wèi)星有南北飄移。衛(wèi)星食和太陽干擾

——春分和秋分時最甚（圖2.10b）太陽太陽第48頁/共54頁2023/1/1350地球同步衛(wèi)星軌道的特點優(yōu)點軌道高度高，視野開闊；觀測數(shù)據(jù)的時間分辨率比較高；缺點無法觀測極區(qū)；觀測數(shù)據(jù)的空間分辨率比較低；對觀測儀器的性能要求比較高；第49頁/共54頁2023/1/1351第50頁/共54頁2023/1/1352極軌衛(wèi)星的發(fā)射極軌衛(wèi)星發(fā)射過程垂直上升段：以最短距離穿過大氣層；轉(zhuǎn)彎飛行段：將火箭引向預(yù)定的軌道方向飛行；自由飛行段：慣性飛行；入軌段：火箭到達衛(wèi)星軌道高度、速度和方向，星箭分離，衛(wèi)星入軌。第51頁/共54頁2023/1/1353靜止衛(wèi)星的發(fā)射靜止衛(wèi)星發(fā)射過程（圖2.12）