卫星通信-第2章---2015

第二章卫星运动轨道和卫星的组成•卫星轨道特性•卫星的空间定位•卫星覆盖特性计算•卫星轨道的摄动•轨道特性对通信性能的影响•发射轨道•卫星的组成0卫星轨道特性1JohannsKepler【德】1571–1630IsaacNewton【英】1642–1726偏心率：半焦距：远地点长度：远地点高度：近地点长度：近地点高度：极坐标方程：半焦弦：2abaace22aec)1(eara)1(earpcos1)1(2eear)1(2eaP开普勒第一定理Kepler’sfirstlaw(1602)小物体围绕大物体运动时的轨道是一个椭圆，并以大物体的质心作为一个焦点。eaaRrheppRrhbaORerc=aea(1+e)a(1−e)ApogieePerigeeP3开普勒第二定律Kepler’ssecondlaw（1605年）小物体在轨道上运动时，在相同时间内扫过的面积相等。椭圆轨道上卫星瞬时速率为：远地点速度和近地点的瞬时速率分别为：圆轨道恒定瞬时速率：其中开普勒常数：)km/s(12arvkm/s)(11,11eeaveeavpa)km/s(rv235/skm10005986.34开普勒第三定律Kepler’sthirdlaw（1618年）小物体运动周期的平方与椭圆轨道半长轴的立方成正比关系。卫星围绕地球飞行的周期为：对于圆形轨道：)s(π23aT)s()(π23hRTe5例1：计算某圆轨道的半径，其周期为一天。解：若取恒星日，则km2414210986005.3π486400π4)s(π23/15223/1223TaaTkm1644210986005.3π486164π43/15223/122Ta6例2：某采用椭圆轨道的卫星，近地点高度为1000km，远地点高度为4000km，在地球平均半径为6378.137km的情况下，求该卫星轨道周期、偏心率以及在远地点和近地点时的速度。解：s/km9472.71690.011690.01137.88785.39860011s/km6494.51690.011690.01137.88785.398600111690.0137.8878210004000222s)(1703.8325π2km)(137.8878223eeaveeavahhaceaTaRhhapapaepa7卫星轨道的术语子卫星轨道（subsatellitepath）位于卫星正下方的地球表面轨道远地点（apogee）离地球最远的点，远地点高度ha近地点（perigee）离地球最近的点，近地点高度hp拱（点）线（lineofapsides）穿过地球中心连接近地点和远地点的连线8升交点（ascendingnode）在该点处，卫星由南向北穿越赤道面降交点（descendingnode）在该点处，卫星由北向南穿越赤道面交点线（lineofnodes）升交点和降交点之间穿越地心的连线轨道倾角（inclination）轨道平面与赤道平面的夹角，是在升交点位置测量到的由东向北方向的轨道与赤道面之间的夹角。如图中i所示，等于子卫星轨道可以到达的最大纬度。9近地点幅角（argumentofperigee）从升交点到近地点的夹角。这是沿卫星运行方向，在轨道平面上的地球中心处进行测量得到的，如图中ω所示。右旋升交点赤经（rightascensionoftheascendingnode）右旋升交点赤经是在赤道面上，从春分线向东到升交点的夹角，如图中Ω所示。10平均近点角（meananomaly）假设卫星经过近地点的时刻是tp，观测时刻是t，则在(t−tp)时间内卫星以平均角速度离开近地点的角度，用M表示，有真近点角（trueanomaly）从地心测量的从近地点到卫星的夹角，习惯用v或θ表示。)(π2psttTM偏心近点角（eccentricanomaly）偏近点角是把卫星的位置投影在椭圆轨道外接圆上，并从椭圆的中心量度和近地点方向之间的角度，用E表示。11顺行轨道（progradeorbit）卫星的运动方向与地球自转方向相同的轨道，也称作直接轨道（directorbit），其轨道倾角在0～90度之间。逆行轨道（retrogradeorbit）卫星的运动方向与地球自转方向相反的轨道，其倾角在90～180度之间。12黄道面（planeoftheecliptic）地球围绕太阳公转所在的平面，由于其他行星等天体的引力对地球的影响，黄道面的空间位置有持续的不规则变化，但其总通过太阳中心。春分点（vernalpoint）当太阳从南向北越过赤道上的那一点时，就是春分点，是赤道和黄道平面的两个相交点之一。13轨道参数可以通过6个轨道参数完全确定卫星的位置，这6个参数通常称作开普勒元素集(keplerianelementset)。a，e，M0，ω，i，Ω长半轴a和偏心率e确定椭圆轨道形状；平均近点角M0定义了在某一基准时间（epoch）卫星在轨道中的坐标；近地点幅角ω给出了轨道近地点相对于交点线的旋转角度；轨道倾角i和升交点赤经Ω将轨道平面和地球关联起来。对于圆形轨道，只需要4个参数：右旋升交点赤经Ω，轨道倾角i，轨道高度h，初始时刻的真近点角v14NASA(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)两行式轨道参数表行列说明数值13-7satellitenumber卫星号25338119-20epochyear基准年（年的最后两位）00121-32epochday基准日期（天数）223.79688452134-43firsttimederivativeofthemeanmotion平均移动的一阶导数（转/天2）0.0000030729-16inclination轨道倾角（度）98.632815行列说明数值218-25rightascensionoftheascendingnode右旋升交点赤经（度）251.5324227-33eccentricity偏心率（小数点后面的数值）0011501235-42argumentofperigee近地点幅角（度）113.5534244-51meananomaly平均近点角（度）246.6853253-63meanmotion平均运动（转/天）14.23304826264-68RevolutionnumberatepochEpoch时的转数11633太阳日16例3：由卫星轨道参数表计算长半轴，远地点高度及近地点高度，假设地球平均半径为6371km。解：meanmotionNN=14.23304826/daykm1.813km6.829km063.7184)0011501.01(335.7192)1(km607.7200)0011501.01(335.7192)1(0.0011501km335.7192π2,π2s00104.0rad/s6/8640014.2330482π23/1200310RrhRrhearearenaTnaTnppaapa17坐标系描述天体运动时，根据不同的需要而采用不同的坐标系，常有的坐标系有：•日心（Heliocentric）坐标系•近焦点（Perifocal）坐标系•地心赤道（Geocentric-equatiorial）坐标系•站心地平（Topocentric-horizon）坐标系18日心坐标系以太阳的中心作为原点一般用于研究行星绕太阳的运动近焦点坐标系以地心为坐标原点，以轨道平面为基准平面X轴：地心—近地点方向Y轴：在轨道平面内沿卫星运动方向旋转90度Z轴：与X、Y轴构成右手坐标系19QPr)sin()cos(vrvr20地心赤道坐标系以地心为坐标原点，以赤道平面为基础平面X轴：地心—春分点方向Y轴：春分线的正东方Z轴：指向北极站心地平坐标系以地球站所在水平面为基准平面，地球站为坐标原点。X轴指向南Y轴指向东Z轴指向天顶21站心地平坐标系（SEZ框架）RrρEl：仰角Az：方位角22坐标系之间转换例如：PQW框架（近焦点坐标系）到IJK框架（地心赤道平面坐标系）的转换)sin(cos)sin(sin)coscoscossinsin()cossincoscos(sin)coscossinsincos()cossinsincos(cos,iiΩiΩΩiΩΩiΩΩiΩΩrrrrrQPKJIRRQPr)sin()cos(vrvr23卫星轨道分类1.按形状分类：圆轨道、椭圆轨道2.按倾角分类：赤道轨道、极轨道和倾斜轨道3.按高度分类：（a）equatororbit（b）polarorbitquatorequatorequatorequator（c）progradeinclinedorbit（d）retrogradeinclinedorbit轨道类型LEO内范艾伦带MEO外范艾伦带GEO/GSOHEO可用高度（km）500～15002000～80007000～1200013000～2000035786远地点可达4000024•低轨（LEO，LowEarthOrbit）500—1500km•中轨（MEO，Medium～）10000—20000km（7000—12000km）•高轨（HEO，High～）20000km以上•同步轨道（GSO，GeoSynchronousOrbit）35786km•静止轨道（GEO，Geostationary～）35786km•高椭圆轨道（HEO，HighEllipticalOrbit）远地点36000km•范艾伦（VanAllent）带内：2000km—8000km外：13000km—20000km圆形轨道最常用25Pentriad(MolnyaHEO)GPSGLONASSTeledesicSkybridgeGlobalstarIridiumOrbcommBorealisofEllipsoICO,SpacewayNGSOLEOMEOGEOSpaceway，Astrolink，Inmarsat，IntelsatOuterVanAllenBeltInnerVanAllenBeltConcordianofEllipso010,000Kmscale26GEO的主要优势对地位置相对固定几乎恒定的传输延时广阔的覆盖区域（单星覆盖面积越占地球表面的1/3）GEO的主要缺点传输延时长，信号衰减大仰角随着纬度的增高而降低不能覆盖极地地区轨位资源缺乏发射费用高27LEO的主要优势低传输延时和衰减（利于使用手持终端）灵活的系统设计（单星）发射费用低LEO的主要缺点对地的快速相对移动大多普勒频移单星覆盖面积小（因此需要几十到上百颗卫星实现全球覆盖）LEO星座的管理复杂性高28MEO：GEO和LEO的折中•单星的中等覆盖面积（需要几颗到十几颗卫星实现全球覆盖）•中等的传输延时和衰减•中等的对地移动速度（即中等的多普勒频移）•中等的星座管理复杂度29HEO的主要优势高纬度地区的仰角大单星覆盖范围大对地相对运动速度较慢（在服务时间内）HEO的主要缺点传输延时和衰减大穿越范·艾伦带，卫星寿命较短304.按轨道周期分类回归/准回归轨道、非回归轨道太阳日（solarday）：以太阳为参考方向时，地球自转一圈所用的时间，即“天”。太阳日长度为24小时，86400秒。恒星日（siderealday）：以无穷远处的恒星为参考方向时，地球自转一圈所用的时间。恒星日长度为23小时56分04秒，即86164秒31星下点（subsatellitepoint）：卫星——地心连线与地球表面的交点，即卫星在地面的投影点回归（r