卫星轨道星座及编队构形设计

第2章卫星轨道、星座及编队构形设计目录2.1卫星运动原理2.2卫星轨道要素及分类2.3卫星覆盖特性2.4星座设计2.5卫星编队构形设计本章参考文献•朱立东，吴廷勇，卓永宁.卫星通信导论（第3版），北京：电子工业出版社，2009•郗晓宁，王威.近地航天器基础，长沙：国防科学技术大学出版社，2003•王希季，李大耀。《卫星设计学》，上海：上海科学技术出版社，1997年•张乃通等，《卫星移动通信系统》，北京：电子工业出版社，2000年•张更新等，《卫星移动通信系统》，北京：人民邮电出版社，2001年2.1卫星运动原理假设地球是质量均匀分布的圆球体，忽略太阳、月球和其它行星的引力作用，卫星运动服从开普勒三大定律。开普勒第一定律：卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。2.1.1开普勒定律1cosPre21bea2(1)Pae图1椭圆轨道的示意图OCrbaaea(1+e)a(1-e)Re远地点近地点F21()(km/s)VuraV为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭圆轨道的半长轴，r为卫星到地心的距离。u为开普勒常数，u值为3.9860158*1014m3/s2。对于GEO卫星，v=3.07km/s。开普勒第二定律：卫星与地心的连线在相同时间内扫过的面积相等。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。32saTuu为开普勒常数，u值为3.9860158*1014m3/s2。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2.1.2卫星轨道摄动概念：卫星在轨道运行时，由于受多种因素的影响，实际轨道会不同程度的偏离由椭圆轨道方程所确定的理想轨道，这一现象称为卫星轨道摄动。卫星的轨道面绕地轴缓慢转动近地点位置变化卫星轨道的远地点降低，长轴缩短，即运行周期缩短偏心率减小，轨道愈变愈圆卫星轨道摄动的具体表现(1)地球非球形引起的摄动，表现为：（2）大气阻力的影响（3）日月的作用由于太阳赤道面、地球赤道面、月球绕地球旋转平面、黄道面都是不同的，因此围绕地球飞行的卫星受到不同引力场施加的不同方向外力，使得卫星轨道的倾角发生改变。黄道面5°23°地球赤道平面太阳赤道平面地球太阳月球静止轨道卫星7.3°太阳、地球和月球的空间关系示意图几个概念•天球：以地球为中心，以无限长为半径的球体。过天球中心作一平面与天轴垂直，该平面称为天赤道面；天赤道面与天球相交的大圆称为天赤道。•黄道面：地球围绕太阳的公转轨道所在平面。由于其它行星等天体的引力对地球影响，黄道面的空间位置有持续的不规则变化，但其总是通过太阳中心。•黄道：黄道面和天球相交的大圆。•春分点：赤道平面和黄道的两个相交点的一个。太阳相对地球从南向北移动，在春分那一天穿越这一交点。太阳、地球、月球的空间关系黄道面5°23°地球赤道平面太阳赤道平面地球太阳月球静止轨道卫星7.3°太阳、地球和月球的空间关系示意图黄道面与太阳赤道平面间有大约7.3°的倾角，与地球赤道平面间有大约23°的倾角；月球围绕地球旋转的平面与地球赤道面间有大约5°的倾角。地心惯性坐标系O升交点降交点交点线春分点方向XYZ赤道平面i近地点v轨道平面•地心惯性坐标系：以地心O为原点，X轴和Y轴确定的平面与赤道平面重合，X轴指向春分点方向；Z轴与地球的自转轴重合，指向北极点。地心坐标系中的X、Y、Z轴构成一个右手坐标系。2.2卫星轨道要素及分类卫星轨道要素卫星轨道分类2.2.1卫星的轨道要素轨道平面倾角i轨道的半长轴a轨道的偏心率e升节点位置近地点幅角卫星初始时刻的位置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。下面讨论的卫星轨道要素是指单颗卫星。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按卫星轨道的倾角分按卫星轨道的偏心率分按轨道的高度分按卫星轨道的重复特性分按卫星轨道的倾角大小分卫星轨道的倾角是指卫星轨道面与赤道平面的夹角。赤道轨道：轨道倾角为0度，轨道面与赤道面重合。极轨道：轨道倾角为90度，轨道平面通过地球南、北极，与赤道平面垂直。顺行轨道：轨道倾角大于0度而小于90度，将这种卫星送入轨道，运载火箭需要朝偏东方向发射。利用地球自西向东自转的一部分速度，从而节省运载火箭的能量。逆行轨道：轨道倾角大于90度而小于180度，将这种卫星送入轨道，运载火箭需要朝偏西方向发射。不能利用地球自转速度来节约运载火箭的能量，反而要付出额外的能量去克服一部分地球自转速度。图6不同倾角的卫星轨道（a）赤道轨道（b）极轨道赤道赤道赤道赤道（c）顺行倾斜轨道（d）逆行倾斜轨道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。太阳同步轨道按卫星轨道的偏心率不同分圆轨道：偏心率为零的轨道，偏心率接近零的近圆轨道有时也称为圆轨道。椭圆轨道：偏心率在0和1之间的轨道。偏心率大于0.2的轨道称为大偏心率椭圆轨道，又称大椭圆轨道。沿椭圆轨道运行的卫星，探测的空间范围相对较大。抛物线轨道：偏心率为1的轨道。双曲线轨道：偏心率大于1的轨道。沿抛物线和双曲线轨道运行，卫星将飞离地球的引力场。行星探测器的星际航行，采用这两种轨道。21bea圆、椭圆轨道的选择全球卫星通信系统多采用圆轨道，可以均匀覆盖南北球区域卫星通信系统，若覆盖区域相对于赤道不对称或覆盖区域纬度较高，则宜采用椭圆轨道按卫星轨道的高度分低轨道(LEO)：轨道高度低于2000公里。中轨道(MEO)：轨道高度在2000公里和20000公里之间。高轨道(HEO)：轨道高度大于20000公里而又小于35786.6公里。地球静止轨道(GEO)：轨道高度为35786.6公里。图7范.艾伦带示意图1500km-5000km，以3750km为中心13000km-20000km，以18500km为中心Molnya椭圆轨道Pentriad，俄罗斯电视广播（在远地点使用）GPS，全球定位系统GLONASS，全球导航卫星系统TeledesicSkybridgeGlobalstarIridiumOrbcommBorealisofEllipsoICO,SpacewayNGSO低地球轨道LEO中地球轨道MEO静止轨道GEOSpaceway，Astrolink，Inmarsat，Intelsat外范·艾伦带内范·艾伦带ConcordianofEllipso010,000Km比例尺不同卫星系统的轨道高度按卫星轨道的重复特性分回归轨道：卫星的星下点轨迹在一天内重复的轨道，一般地球自转周期与卫星轨道周期的比值为整数。准回归轨道：卫星的星下点轨迹间隔N（整正数）日后进行重复的轨道，当N=1时就是回归轨道。非回归轨道：卫星的星下点轨迹不周期性重迭的轨道。卫星星下点图8星下点轨迹卫星的星下点：卫星瞬时位置和地球中心的连线与地球表面的交点。•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纬度经度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）。arcsin(sinsin)(1)si0(cos)180(18090)0(9090)(2)180(90180)seoooooooooarctgitgwts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。s0ew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：seu=(3)VRh3s()=2(4)eRhTuu为开普勒常数，u=3.9860158*1014m3/s2。图10圆轨道覆盖示意图其中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：arccos[cos](5)eeReeRhS是终端到卫星的距离，表示为：22()2()cos(6)eeeesRRhRRh用户到卫星的传播时延为：/(7)psc地球表面上，卫星的覆盖区域面积为：22(1cos)(9)eAR卫星在地面上的覆盖半径为：sin(8)eXR用户可以通信的轨道弧长为：2()(10)eLRh用户可以与卫星通信的最长时间为：/(11)ssTLv例题一卫星绕地球做圆轨道运动，假设地球半径为6356.755km，系统要求用户终端的最小仰角为10o，卫星距地面的高度为785km，求（1）单颗卫星的覆盖区域面积；（2）用户到卫星的传播时延；（3）用户可以与卫星通信的最长时间。arccos[cos]eeReeRh22(1cos)eAR22()2()coseeeesRRhRRh/psc2()eLRh/ssTLv根据公式：单颗卫星的覆盖区域面积为1.35×107km2，用户到卫星的传播时延为：7.8ms用户可以与卫星通信的最长时间为626s。2.3卫星的覆盖特性单颗卫星的覆盖区域：表示卫星在空间轨道上的某一位置对地面的覆盖。卫星的地面覆盖带：卫星沿空间轨道运行对地面的覆盖情况。卫星环的覆盖带：多颗卫星组成的卫星环沿空间轨道运行对地面的覆盖情况。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持续性区域覆盖部分覆盖持续性全球覆盖持续性地带覆盖持续性区域覆盖部分覆盖图13不同的覆盖形式2.4星座设计方法•星座覆盖的定义•最佳星座•星座设计参数•星座设计方法•星座设计软件星座的覆盖覆盖的定义：仰角：根据地面用户终端的最小仰角定义覆盖区域功率：地面上处于卫星天线波束半功率角度范围以内的区域为覆盖区域。卫星星座的覆盖要求由星座所要完成的任务决定，根据不同的任务确定不同的覆盖方式。卫星轨道与星座设计的指标地面覆盖要求轨道复现要求地面功率通量密度要求覆盖重叠要求轨道和星座设计的方法为：首先建立任务指标要求与轨道要素、卫星数量之间的关系；然后选择和确定轨道要素、卫星数量，并使它们满足卫星外部环境的制约。最佳星座选取最佳的轨道倾角和升节点的位置。轨道高度尽可能低卫星数量尽可能少最小仰角尽可能大对指定区域进行全天候的持续性覆盖星座设计参数圆轨道的星座设计参数包括：星座的卫星数量卫星轨道平面数量卫星轨道平面的倾角不同轨道平面的相对间隔同一轨道平面内卫星的相对相位相邻轨道平面卫星的相对相位每颗卫星的轨道