微波與衛(wèi)星通信（第二版）通信衛(wèi)星的發(fā)射及軌道

通信衛(wèi)星的發(fā)射及軌道4.1衛(wèi)星發(fā)射的基本理論4.2衛(wèi)星發(fā)射4.3通信衛(wèi)星的軌道本章小結(jié)

4.1衛(wèi)星發(fā)射的基本理論

4.1.1開普勒定律以地球為中心運動的衛(wèi)星,其運行規(guī)律符合萬有引力定律。根據(jù)萬有引力定律可以推導出揭示衛(wèi)星運行規(guī)律的開普勒定律。下面就簡要介紹一下開普勒三定律。

1)開普勒第一定律(軌道定律)

衛(wèi)星運動的軌道一般是一個橢圓,一個橢圓有兩個焦點,地球的中心位于該橢圓的一個焦點上。

這個定律表明,速度與質(zhì)量一定的衛(wèi)星圍繞地球運行的軌道是一個橢圓平面(稱為開普勒橢圓),其形狀和大小保持不變。在開普勒橢圓上,衛(wèi)星離地球最近的點稱為近地點,衛(wèi)星離地球最遠的點稱為遠地點。它們在慣性空間的位置是固定不變的。依據(jù)該定律,衛(wèi)星圍繞地心運動的軌道方程為

2)開普勒第二定律(面積定律)

單位時間內(nèi),衛(wèi)星與地心連線掃過的面積相等。該定律的數(shù)學表達式為

式中:k為開普勒常量(且不同的天體系統(tǒng)內(nèi)有不同的開普勒常量);r為地球質(zhì)心與衛(wèi)星質(zhì)心間的距離向量;θ為衛(wèi)星速度與矢徑r之間的夾角。

該定律也表明衛(wèi)星在橢圓軌道上的速度不是固定不變的:在靠近地球的位置運動的快,在靠近遠地點的位置則運動的慢。

3)開普勒第三定律(軌道周期定律)

衛(wèi)星圍繞地球運動1圈的周期為T,其平方與軌道橢圓半長軸a的立方之比為一個常數(shù)。這一定律的數(shù)學表達式為

式中:G=6.668462×10-20(kg·s2),稱為萬有引力常數(shù);

M=5.977414×1024kg,為地球質(zhì)量。

4.1.2宇宙速度

物體作圓周運動時必然會產(chǎn)生慣性的離心力,根據(jù)牛頓的萬有引力定律,在地面的物體一定會受到地球的引力作用,因此,地面上的物體要圍繞地球運動或脫離地球的束縛進入太空進行星際旅行,必然要有最低的速度。宇宙速度就是一個從地球表面向宇宙空間發(fā)射人造地球衛(wèi)星、行星際和恒星際飛行器所需的最低速度,分為第一、第二、第三宇宙速度,如圖4-1所示。圖4-1衛(wèi)星軌道與初始速度的關(guān)系

1)第一宇宙速度

第一宇宙速度就是人造地球衛(wèi)星環(huán)繞地球飛行的最小速度。假定地球和衛(wèi)星的質(zhì)量分別為M和m,衛(wèi)星到地心的距離為r,衛(wèi)星運行的速度為v。根據(jù)萬有引力定律,有

則

由于人造地球衛(wèi)星靠近地面,可以認為此時的r等同于地球半徑R,即

這就是人造地球衛(wèi)星在近地軌道上圍繞地球做勻速圓周運動所必須具有的速度,稱為第一宇宙速度,又稱為環(huán)繞速度。

2)第二宇宙速度

若要將一個航天器發(fā)射到繞太陽運行的軌道上,成為一個圍繞太陽運行的人造天體,假設(shè)需要的最小發(fā)射速度為V。根據(jù)機械能守恒定律,航天器的動能正好抵消航天器獲取的勢能時就可以擺脫地球的束縛,而成為圍繞太陽的一個人造天體。

3)第三宇宙速度

若要使一個航天器飛出太陽的引力場,則需要的最小速度約為16.6×103m/s,這個速度就稱為第三宇宙速度。

4.2衛(wèi)星發(fā)射

4.2.1運載火箭衛(wèi)星的發(fā)射離不開運載火箭的使用。運載火箭是利用高能燃料燃燒產(chǎn)生的熱氣流向后噴射所產(chǎn)生的反作用力發(fā)射航天器的。

運載火箭由推進系統(tǒng)、箭體和有效載荷等基本組成部分構(gòu)成。運載火箭的推進系統(tǒng)主要由火箭發(fā)動機構(gòu)成,火箭發(fā)動機可分為化學火箭發(fā)動機、核火箭發(fā)動機、電火箭發(fā)動機和光子火箭發(fā)動機等。其中廣泛使用的是化學火箭發(fā)動機,其原理就是利用推進劑在燃燒室內(nèi)進行化學反應釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為推力推動火箭發(fā)射。常用的推進劑有固體和液體兩種。

火箭技術(shù)在人類的飛天夢中一直占有非常重要的地位,早在12世紀,我國的南宋時期就有關(guān)于火箭的記載,其原理與現(xiàn)在的火箭發(fā)射原理是一樣的。在19世紀針對運載火箭出

現(xiàn)了幾項重大的技術(shù)進步:火藥推進劑的配方標準化,使得火箭的制造更加穩(wěn)定、可靠;燃料容器由紙殼改為金屬殼,增加了燃料的燃燒時間;制造出發(fā)射臺,提高了發(fā)射的成功率;發(fā)現(xiàn)了自旋導向原理,為航天器的穩(wěn)定工作奠定了理論基礎(chǔ)。

中華人民共和國成立后,非常重視運載火箭技術(shù)的研究與使用,在20世紀50年代就開始了新型火箭的研發(fā),并于1970年4月24日,用“長征”一號成功地發(fā)射了我國自主研發(fā)的第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,我國已經(jīng)研發(fā)出了多種型號的“長征”系列運載火箭。長征系列運載火箭具備發(fā)射低、中、高不同軌道,不同類型衛(wèi)星及載人飛船的能力,同時還具備無人深空探測能力。目前,“長征”系列運載火箭低地球軌道運載能力達到25噸,太陽同步軌道運載能力達到15噸,地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力達到14噸,成功進入國際商務發(fā)射領(lǐng)域。

4.2.2衛(wèi)星發(fā)射窗口

衛(wèi)星發(fā)射窗口是指發(fā)射通信衛(wèi)星比較合適的一個時間范圍(即允許衛(wèi)星發(fā)射的時間范圍)。由于每顆衛(wèi)星承擔的任務不同,設(shè)備使用要求不同,這就對發(fā)射窗口提出了種種要求和限制條件,而有些要求有時又互相矛盾,因此衛(wèi)星的發(fā)射窗口是根據(jù)航天器本身的要求及外部多種限制條件綜合分析計算后確定的。衛(wèi)星的發(fā)射窗口也有大有小,大的以時計,甚至以天計算,小的只有幾十秒鐘,甚至為零。

影響衛(wèi)星發(fā)射窗口的有以下幾個方面。

(1)光照條件的要求:有些發(fā)射衛(wèi)星對光照條件有要求(中軌道氣象衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、照相偵查衛(wèi)星);此外,衛(wèi)星上的電源基本采用太陽能電池,這些都導致衛(wèi)星發(fā)射時對發(fā)射窗口的光照條件提出了一定的要求。

(2)氣象條件的要求:衛(wèi)星發(fā)射開始階段,其飛行軌跡在大氣層內(nèi)部,會受到風、雨、雷、電的影響,有可能損壞運載火箭和衛(wèi)星的電子設(shè)備或影響衛(wèi)星飛行的姿態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此在發(fā)射窗口的選擇上應避開惡劣天氣。

(3)地面觀測、測量的要求:發(fā)射窗口的選擇應方便地面觀測者在發(fā)射的初始階段對衛(wèi)星的觀測,當衛(wèi)星進入軌道后,應使地面的跟蹤測量設(shè)備、衛(wèi)星和太陽處在一個相對較好的位置,這時對衛(wèi)星的飛行姿態(tài)測量精度的要求比較高。

4.2.3靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射

靜止軌道衛(wèi)星目前是衛(wèi)星通信中應用最多的通信衛(wèi)星。

通常靜止軌道衛(wèi)星的發(fā)射包括以下幾個階段:

(1)用一、二級運載火箭(或航天飛機)將三級火箭和衛(wèi)星的組合體送入200~400km的傾斜的圓形軌道,即停泊軌道,進行一段慣性飛行進行姿態(tài)調(diào)整。

(2)衛(wèi)星在停泊軌道上經(jīng)過測試后,在衛(wèi)星到達停泊軌道與赤道平面的交點(近地點)時第三級火箭點火,使衛(wèi)星沿飛行方向加速,進入大橢圓軌道(又稱為過渡軌道),在這個階段衛(wèi)星與三級火箭脫離。過渡軌道與赤道平面的另一個交點就是遠地點。

(3)當衛(wèi)星沿過渡軌道運行到遠地點,衛(wèi)星自帶的發(fā)動機點火,使衛(wèi)星進入赤道平面附近的一條圓形、接近同步軌道、但略有漂移的軌道,并在其上運行若干天。

(4)當衛(wèi)星緩慢漂移到預定位置附近時,利用衛(wèi)星上攜帶的小發(fā)動機逐步修正衛(wèi)星軌道,使其逼近靜止軌道,使衛(wèi)星停止漂移,這一軌道微調(diào)過程稱為軌道控制,這種細致的調(diào)整需要幾天或更長的時間才能完成。

靜止衛(wèi)星發(fā)射過程中的軌道變換如圖4-2所示。圖4-2靜止衛(wèi)星發(fā)射過程中軌道變換示意圖

4.3通信衛(wèi)星的軌道

4.3.1人造衛(wèi)星的軌道分類1.按軌道的形狀分類人造衛(wèi)星按軌道的形狀可分為圓形軌道和橢圓形軌道。(1)圓形軌道:衛(wèi)星軌道的偏心率為0或接近0,軌道的形狀為圓形或近似圓形。(2)橢圓形軌道:衛(wèi)星軌道的偏心率為0~1之間,軌道的形狀為橢圓形,地球位于橢圓的一個焦點上。

2.按軌道高度分類

以軌道高度劃分是以環(huán)地球赤道延伸至南、北緯40°~50°地區(qū)的高能輻射帶為界,如圖4-3所示。在空間上有兩個輻射帶,是由美國科學家范·艾倫(J.A.VanAllen)于1958

年通過探險者1號的粒子計數(shù)器在1000km以上高空發(fā)現(xiàn)的強輻射帶,稱為范·艾倫帶(VanAllenbelt)。60年代正式被命名為磁層。范·艾倫帶的輻射強度與時間、地理位置、地磁和太陽活動都有關(guān)。其中,高度較低的稱為內(nèi)范·艾倫帶,主要包括質(zhì)子和電子混合物;高度較高的稱為外范·艾倫帶,主要包含電子。高能粒子的輻射在任何高度均存在,只是強度不同,范·艾倫帶是粒子濃度較高、較集中的區(qū)域。圖4-3范·艾倫帶及衛(wèi)星軌道示意圖

(1)低軌道:通常位于內(nèi)范·艾倫帶之下,軌道高度根據(jù)需求設(shè)定。較低的軌道高度有利于降低地面衛(wèi)星通信系統(tǒng)的接收和發(fā)射功耗,從而降低移動終端的價格,因此移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用的就是這個軌道高度。

(2)中軌道:中軌道的高度在內(nèi)范·艾倫帶之上,一般在20000km左右,在這個軌道上的衛(wèi)星系統(tǒng)主要是避開范·艾倫帶即可。典型的中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)包括美國的GPS、中國的北斗系統(tǒng)等。

(3)高軌道:高軌道通常是指地球靜止軌道。軌道位于赤道平面,距離地面35786km,是衛(wèi)星通信中常用的軌道。若軌道與赤道平面有夾角,距離地面的距離仍為35786km,就稱為地球同步軌道。

(4)長橢圓軌道:是一種具有較低近地點和極高遠地點的橢圓軌道,其遠地點高度大于靜止軌道的高度。根據(jù)開普勒第二定律,其軌道上的衛(wèi)星對遠地點下方的地面區(qū)域的覆蓋時間可以超過12小時,這種特點能夠被偵查和通信衛(wèi)星所利用。這種特性導致具有大傾角的長橢圓軌道衛(wèi)星可以覆蓋地球的極地地區(qū)。這是運行在地球同步軌道的衛(wèi)星無法做到的。

3.按軌道平面和赤道平面的夾角分類

人造衛(wèi)星按軌道平面與赤道平面的夾角可分為赤道軌道、傾斜軌道、極地軌道,如圖4-4所示。圖4-4-按照衛(wèi)星軌道與赤道平面的夾角進行軌道分類示意圖

(1)赤道軌道:衛(wèi)星軌道平面與赤道平面夾角為0°,衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面重合,衛(wèi)星始終在赤道上空飛行,這種軌道稱為赤道軌道。

(2)傾斜軌道:軌道傾角既不是0°也不是90°的軌道,統(tǒng)稱為傾斜軌道。其中傾角大于0°而小于90°,衛(wèi)星自西向東順著地球自轉(zhuǎn)的方向運行的,稱為順行軌道;傾角大于90°而

小于180°,衛(wèi)星自東向西逆著地球自轉(zhuǎn)方向運行的,稱為逆行軌道。

(3)極地軌道:是傾角為90°的軌道,在這條軌道上運行的衛(wèi)星每圈都要經(jīng)過地球兩極上空,可以俯視整個地球表面。氣

4.3.2衛(wèi)星軌道的基本參數(shù)

定義一個衛(wèi)星軌道的參數(shù),首先要建立一個以地心為坐標原點的坐標系,X軸和Y軸確定的平面與赤道平面重合,X軸指向春分點方向,Z軸與地球的自轉(zhuǎn)軸重合,指向北極。

如圖4-5所示,描述一個衛(wèi)星軌道通常包含6個主要參數(shù),具體如下。圖4-5地心坐標系和衛(wèi)星軌道參數(shù)示意圖

(1)偏心率:偏心率是度量橢圓軌道面扁平程度的參數(shù),如圖4-6所示。偏心率由下式?jīng)Q定:圖4-6偏心率示意圖

(2)半長軸:半長軸是橢圓軌道長軸的一半。

(3)近地點時刻:衛(wèi)星經(jīng)過近地點的確切時間,以年、月、日、時、分、秒表示。

(4)升交點赤經(jīng):赤道平面內(nèi)從春分點方向到軌道面交點連線間的角度,按地球自轉(zhuǎn)方向度量。

(5)軌道傾角:是指軌道面與赤道平面的夾角。

(6)近地點幅角:是指順行軌道上,升交點與近地點之間的夾角。

4.3.3移動通信衛(wèi)星的星座系統(tǒng)

星座設(shè)計時主要考慮的問題包括以下幾個方面:

(1)用戶仰角應盡可能大。大仰角對提高移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務是非常重要的。

(2)信號的傳輸時延應盡可能低。低時延對實時性要求較高的通信業(yè)務(語音、視頻會議等)是至關(guān)重要的,這也在很大程度上限制了移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)軌道的高度選擇。

(3)衛(wèi)星的有效載荷的能量消耗應盡可能低。這是由于通信衛(wèi)星在軌道上能夠依靠能源只有太陽能和化學能電池。

(4)如果系統(tǒng)采用星際鏈路,軌道面內(nèi)和軌道面間的星際鏈路干擾必須限制在可以接受的范圍內(nèi),這對星座軌道的分布間隔提出了一定的要求。

(5)覆蓋區(qū)的多重覆蓋加以考慮。多重覆蓋能夠有效提升系統(tǒng)的物理抗毀性,支持信號的分集接收,有效地提升應用的服務質(zhì)量。

根據(jù)組成星座的衛(wèi)星軌道與赤道平面的夾角,移動衛(wèi)星的星座可以分為:極軌道星座、近極軌道星座、傾斜圓軌道星座。

1)極軌道星座

利用多個衛(wèi)星數(shù)量相同的、具有特定空間間隔關(guān)系的極軌道平面,可以構(gòu)成覆蓋全球或極冠地區(qū)的極軌道星座系統(tǒng)。

2)近極軌道星座

衛(wèi)星軌道平面與赤道平面的夾角為80°~100°(除90°)時的軌道稱為近極軌道。

典型系統(tǒng)如銥星系統(tǒng)。該系統(tǒng)星座最初設(shè)計由77顆LEO衛(wèi)星組成,它與銥元素的77個電子圍繞原子核運行類似,因此命名為銥星系統(tǒng)。后來,星座修改為66顆衛(wèi)星(計劃利用我國長征火箭發(fā)射其中的22顆),分布在6個圓形的、傾角為86.4°的近極軌道平面上。軌道間隔27°,軌道高度780km。每個軌道面上均勻分布11顆衛(wèi)星,該系統(tǒng)中的每顆衛(wèi)星提供48個點波束,在地面形成48個蜂窩小區(qū),在最小仰角8.2°的情況下,每個小區(qū)直徑為600km,每顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)直徑約為4700km,星座對全球地面形成無縫蜂窩覆蓋,如圖4-7所示。圖4-7銥星系統(tǒng)點波束對全球的覆蓋蜂窩

3)傾斜圓