第 3 章 軌道設(shè)計及選擇

1、空間飛行器總體設(shè)計空間飛行器總體設(shè)計 空間飛行器總體設(shè)計 軌道設(shè)計及選擇是一個復(fù)雜的過程，它涉及許多不同參數(shù)間的綜合軌道設(shè)計及選擇是一個復(fù)雜的過程，它涉及許多不同參數(shù)間的綜合權(quán)衡。一般來說，軌道決定了空間飛行任務(wù)的權(quán)衡。一般來說，軌道決定了空間飛行任務(wù)的，同時也決定了，同時也決定了的性能。更進(jìn)一步，必須權(quán)衡達(dá)到預(yù)定軌的性能。更進(jìn)一步，必須權(quán)衡達(dá)到預(yù)定軌道所需的速度。道所需的速度。 通常在空間飛行任務(wù)的壽命期間，航天器有不同的飛行軌道，包括通常在空間飛行任務(wù)的壽命期間，航天器有不同的飛行軌道，包括等待軌道等待軌道、轉(zhuǎn)移軌道轉(zhuǎn)移軌道，還可能有最終的，還可能有最終的報廢處理軌道報廢處理軌道。 在任務(wù)

2、設(shè)計早期，主要精力是確定航天器的在任務(wù)設(shè)計早期，主要精力是確定航天器的。但是，飛行。但是，飛行任務(wù)的初步設(shè)計需要考慮各個飛行階段的軌道，以滿足更復(fù)雜的飛行任任務(wù)的初步設(shè)計需要考慮各個飛行階段的軌道，以滿足更復(fù)雜的飛行任務(wù)的要求。務(wù)的要求。 軌道設(shè)計需要清楚地理解軌道選擇的依據(jù)，并且隨著任務(wù)要求的改軌道設(shè)計需要清楚地理解軌道選擇的依據(jù)，并且隨著任務(wù)要求的改變或任務(wù)定義的完善定期評審這些依據(jù)，不斷設(shè)計可供選擇的方案。這變或任務(wù)定義的完善定期評審這些依據(jù)，不斷設(shè)計可供選擇的方案。這樣，可以產(chǎn)生幾種不同的設(shè)計方案。樣，可以產(chǎn)生幾種不同的設(shè)計方案。空間飛行器總體設(shè)計 人造地球衛(wèi)星的軌道一般分為發(fā)射軌道與

3、運行軌道兩部分。人造地球衛(wèi)星的軌道一般分為發(fā)射軌道與運行軌道兩部分。對于需要返回的衛(wèi)星，則在運行軌道之后安排一段返回軌道。對于需要返回的衛(wèi)星，則在運行軌道之后安排一段返回軌道。（1 1）發(fā)射軌道）發(fā)射軌道 發(fā)射軌道：是指運載火箭第一級點火至衛(wèi)星入軌的一段軌道。發(fā)射軌道：是指運載火箭第一級點火至衛(wèi)星入軌的一段軌道。 轉(zhuǎn)移軌道：用來將航天器從一個軌道轉(zhuǎn)移到另一軌道。轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移軌道：用來將航天器從一個軌道轉(zhuǎn)移到另一軌道。轉(zhuǎn)移軌道是連接近地軌道和靜止軌道的重要階段。軌道是連接近地軌道和靜止軌道的重要階段。 等待軌道：這是一種臨時軌道，這種軌道為航天器進(jìn)行各種等待軌道：這是一種臨時軌道，這種軌道為航天器進(jìn)

4、行各種空間操作或在工作壽命末期的檢查和貯存提供一個安全而方便空間操作或在工作壽命末期的檢查和貯存提供一個安全而方便的場所。這種軌道還可以用來銜接航天器發(fā)射后進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道的場所。這種軌道還可以用來銜接航天器發(fā)射后進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道之前的各個階段的不同工作狀態(tài)。之前的各個階段的不同工作狀態(tài)?？臻g飛行器總體設(shè)計 運載火箭將衛(wèi)星和上面級運載火箭將衛(wèi)星和上面級( (近地點發(fā)動機近地點發(fā)動機) )送入一個近地軌道；送入一個近地軌道；星箭分離后，近地點發(fā)動機將衛(wèi)星送入大橢圓的轉(zhuǎn)移軌道；最后再由星箭分離后，近地點發(fā)動機將衛(wèi)星送入大橢圓的轉(zhuǎn)移軌道；最后再由星上的遠(yuǎn)地點發(fā)動機工作將衛(wèi)星送入靜止軌道。星上的遠(yuǎn)地點發(fā)動機工

5、作將衛(wèi)星送入靜止軌道。 空間飛行器總體設(shè)計F F地心；地心；P P轉(zhuǎn)移軌道近地點；轉(zhuǎn)移軌道近地點；R R地球半徑；地球半徑；ApAp轉(zhuǎn)移軌道遠(yuǎn)地點轉(zhuǎn)移軌道遠(yuǎn)地點 運載火箭先將衛(wèi)星送入運載火箭先將衛(wèi)星送入185km185km的圓形軌道，即的圓形軌道，即；衛(wèi)星在停；衛(wèi)星在停泊軌道上滑行泊軌道上滑行15min15min到達(dá)赤道上空。第三級重新點火，使衛(wèi)星進(jìn)入近地到達(dá)赤道上空。第三級重新點火，使衛(wèi)星進(jìn)入近地點在赤道的橢圓形的點在赤道的橢圓形的。衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道上運行。衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道上運行6.56.5圈，對軌道圈，對軌道和姿態(tài)進(jìn)行精確測定，然后遠(yuǎn)地點發(fā)動機點火將衛(wèi)星送入周期為和姿態(tài)進(jìn)行精確測定，然后遠(yuǎn)地點

6、發(fā)動機點火將衛(wèi)星送入周期為2323小小時時1515分鐘的分鐘的。此后衛(wèi)星通過一系列軌道修正進(jìn)入。此后衛(wèi)星通過一系列軌道修正進(jìn)入。空間飛行器總體設(shè)計 運載火箭將衛(wèi)星直接送入大橢圓的轉(zhuǎn)移軌道。在大橢圓運載火箭將衛(wèi)星直接送入大橢圓的轉(zhuǎn)移軌道。在大橢圓的遠(yuǎn)地點，星上遠(yuǎn)地點發(fā)動機工作將衛(wèi)星送入靜止軌道。如東的遠(yuǎn)地點，星上遠(yuǎn)地點發(fā)動機工作將衛(wèi)星送入靜止軌道。如東方紅方紅3 3號衛(wèi)星由長三甲運載火箭送入近地點高度為號衛(wèi)星由長三甲運載火箭送入近地點高度為200km200km，遠(yuǎn)地，遠(yuǎn)地點高度與靜止軌道高度（點高度與靜止軌道高度（35786km35786km）相近，傾角為）相近，傾角為28.528.5的大橢的大

7、橢圓轉(zhuǎn)移軌道，然后經(jīng)過三次在遠(yuǎn)地點附近的變軌控制，最后將圓轉(zhuǎn)移軌道，然后經(jīng)過三次在遠(yuǎn)地點附近的變軌控制，最后將衛(wèi)星送入靜止軌道。衛(wèi)星送入靜止軌道。 由于靜止軌道精度要求極高，除了遠(yuǎn)地點發(fā)動機外，星上由于靜止軌道精度要求極高，除了遠(yuǎn)地點發(fā)動機外，星上還有小推力器作軌道修正，克服誤差，克服衛(wèi)星漂移。還有小推力器作軌道修正，克服誤差，克服衛(wèi)星漂移?？臻g飛行器總體設(shè)計 （2 2）運行軌道）運行軌道 運行軌道是指衛(wèi)星入軌后圍繞地球運動的軌道。（近地軌道、大運行軌道是指衛(wèi)星入軌后圍繞地球運動的軌道。（近地軌道、大橢圓軌道（太陽同步軌道）、地球同步軌道）。橢圓軌道（太陽同步軌道）、地球同步軌道）。 空間基準(zhǔn)

8、軌道空間基準(zhǔn)軌道這種運行軌道的主要特征是處于空間某一位置。這種運行軌道的主要特征是處于空間某一位置。例如用于空間采樣和觀測的拉格朗日點軌道，供天體觀察和空間制造例如用于空間采樣和觀測的拉格朗日點軌道，供天體觀察和空間制造用的軌道等。用的軌道等。 地球基準(zhǔn)軌道地球基準(zhǔn)軌道這是為地球表面或近地空間提供所需覆蓋的一這是為地球表面或近地空間提供所需覆蓋的一種運行軌道。例如：地球同步軌道衛(wèi)星，地球資源、氣象和通信用的種運行軌道。例如：地球同步軌道衛(wèi)星，地球資源、氣象和通信用的近地軌道衛(wèi)星。近地軌道衛(wèi)星。 （3 3）返回軌道）返回軌道 返回軌道是從制動火箭點火到衛(wèi)星降落地面的一段軌道。返回軌道是從制動火箭

9、點火到衛(wèi)星降落地面的一段軌道?？臻g飛行器總體設(shè)計 任務(wù)要求：任務(wù)要求：u軌道的限制條件；軌道的限制條件；u對特定觀測所需的軌道高度；對特定觀測所需的軌道高度；u任一軌道參數(shù)的取值范圍等。任一軌道參數(shù)的取值范圍等。 通常，不同要求會導(dǎo)致選擇不同的軌道。權(quán)衡的標(biāo)準(zhǔn)是以通常，不同要求會導(dǎo)致選擇不同的軌道。權(quán)衡的標(biāo)準(zhǔn)是以盡可能少的推進(jìn)劑來滿足飛行任務(wù)所要求的限制條件，如壽命、盡可能少的推進(jìn)劑來滿足飛行任務(wù)所要求的限制條件，如壽命、熱環(huán)境和輻射環(huán)境等。熱環(huán)境和輻射環(huán)境等?？臻g飛行器總體設(shè)計空間飛行器總體設(shè)計可以最大限度地減少飛行任務(wù)的總開銷而降低任務(wù)的可以最大限度地減少飛行任務(wù)的總開銷而降低任務(wù)的成本。

10、成本。可提供較好的地面覆蓋率，存活率也比較高。當(dāng)失去一顆可提供較好的地面覆蓋率，存活率也比較高。當(dāng)失去一顆衛(wèi)星時，該星座仍能安全工作。衛(wèi)星時，該星座仍能安全工作。 通常必須權(quán)衡用一顆帶有較大、較復(fù)雜儀器的大型衛(wèi)星和由一些較小、通常必須權(quán)衡用一顆帶有較大、較復(fù)雜儀器的大型衛(wèi)星和由一些較小、較簡單的衛(wèi)星組成的星座之間的優(yōu)劣。這個決策取決于衛(wèi)星設(shè)計時的技較簡單的衛(wèi)星組成的星座之間的優(yōu)劣。這個決策取決于衛(wèi)星設(shè)計時的技術(shù)水平。術(shù)水平。 隨著電子裝置以及星載處理裝置的微型化，使得小型衛(wèi)星更為現(xiàn)實，隨著電子裝置以及星載處理裝置的微型化，使得小型衛(wèi)星更為現(xiàn)實，因此可能構(gòu)造一個由小型、低成本衛(wèi)星組成的星座。大型

11、星座的另一個因此可能構(gòu)造一個由小型、低成本衛(wèi)星組成的星座。大型星座的另一個主要成本要素是與提供連續(xù)的導(dǎo)航和控制有關(guān)的運行問題。因此，采用主要成本要素是與提供連續(xù)的導(dǎo)航和控制有關(guān)的運行問題。因此，采用低成本的自主導(dǎo)航和控制也將促進(jìn)由小型衛(wèi)星組成的星座的發(fā)展。低成本的自主導(dǎo)航和控制也將促進(jìn)由小型衛(wèi)星組成的星座的發(fā)展?？臻g飛行器總體設(shè)計這一步是通過評價軌道參數(shù)給出的每一個任務(wù)要求的影響來這一步是通過評價軌道參數(shù)給出的每一個任務(wù)要求的影響來選擇任務(wù)軌道。最簡單的方法是先假設(shè)軌道是圓軌道，然后對軌選擇任務(wù)軌道。最簡單的方法是先假設(shè)軌道是圓軌道，然后對軌道高度和軌道傾角進(jìn)行綜合權(quán)衡，據(jù)此可選取一個或多個候

12、選軌道高度和軌道傾角進(jìn)行綜合權(quán)衡，據(jù)此可選取一個或多個候選軌道。然后將這些關(guān)鍵的設(shè)計權(quán)衡結(jié)果形成文件，當(dāng)任務(wù)要求和條道。然后將這些關(guān)鍵的設(shè)計權(quán)衡結(jié)果形成文件，當(dāng)任務(wù)要求和條件改變時，可以隨時重新審查這些設(shè)計權(quán)衡是否正確。件改變時，可以隨時重新審查這些設(shè)計權(quán)衡是否正確?？臻g飛行器總體設(shè)計u 運載工具對飛行任務(wù)的成本影響很大，并且它最終限制了發(fā)運載工具對飛行任務(wù)的成本影響很大，并且它最終限制了發(fā)射到某一給定高度和偏心率軌道的航天器質(zhì)量。對新的飛行任務(wù)射到某一給定高度和偏心率軌道的航天器質(zhì)量。對新的飛行任務(wù)來說，發(fā)射余量的典型值為來說，發(fā)射余量的典型值為2020。u 如果航天器在相當(dāng)長的時間內(nèi)不再入

13、大氣層，則在其使用壽如果航天器在相當(dāng)長的時間內(nèi)不再入大氣層，則在其使用壽命終結(jié)時還必須對它進(jìn)行處置，使之不危及其它航天器的安全。命終結(jié)時還必須對它進(jìn)行處置，使之不危及其它航天器的安全。u 另一種選擇是回收衛(wèi)星，以便對衛(wèi)星進(jìn)行整修后再次使用或另一種選擇是回收衛(wèi)星，以便對衛(wèi)星進(jìn)行整修后再次使用或回收某些材料（例如放射性產(chǎn)物），因為這些材料如不加控制就回收某些材料（例如放射性產(chǎn)物），因為這些材料如不加控制就進(jìn)入大氣層，將構(gòu)成危害。進(jìn)入大氣層，將構(gòu)成危害?？臻g飛行器總體設(shè)計 任一衛(wèi)星星座的一個重要特性就是星座發(fā)展、補充和降級可任一衛(wèi)星星座的一個重要特性就是星座發(fā)展、補充和降級可靠工作。只有將多顆衛(wèi)星安

14、置在合適的位置組成一個星座才能靠工作。只有將多顆衛(wèi)星安置在合適的位置組成一個星座才能正常工作，但這引起了許多有關(guān)經(jīng)濟(jì)、計劃和檢測方面的問題。正常工作，但這引起了許多有關(guān)經(jīng)濟(jì)、計劃和檢測方面的問題。降級可靠工作的意思是說，如果有一顆衛(wèi)星失效，剩下的衛(wèi)星降級可靠工作的意思是說，如果有一顆衛(wèi)星失效，剩下的衛(wèi)星仍能以降級模式提供必要的服務(wù)，而不會使整個星座失效。仍能以降級模式提供必要的服務(wù)，而不會使整個星座失效?？臻g飛行器總體設(shè)計 為了定量評價軌道的代價，必須建立該軌道的為了定量評價軌道的代價，必須建立該軌道的V V預(yù)算。然后將預(yù)算。然后將V V預(yù)預(yù)算轉(zhuǎn)換成推進(jìn)劑預(yù)算的主要部分。算轉(zhuǎn)換成推進(jìn)劑預(yù)算的主

15、要部分?？臻g飛行器總體設(shè)計 空間飛行器總體設(shè)計 描述軌道的第一步是找到合適的參考坐標(biāo)系。選取的坐描述軌道的第一步是找到合適的參考坐標(biāo)系。選取的坐標(biāo)系不同，則描述軌道的形式和復(fù)雜程度就有所不同，直標(biāo)系不同，則描述軌道的形式和復(fù)雜程度就有所不同，直接影響到軌道參數(shù)的直觀程度和問題求解的難易。接影響到軌道參數(shù)的直觀程度和問題求解的難易?？臻g飛行器總體設(shè)計sXssXY 1 1）日心黃道坐標(biāo)系）日心黃道坐標(biāo)系 坐標(biāo)系的原點在日心，坐標(biāo)系的原點在日心， 平面平面( (或稱基準(zhǔn)平面或稱基準(zhǔn)平面) )與黃道面一與黃道面一致。黃道面是地球繞太陽運行的平面。黃道面與地球赤道面的交線，致。黃道面是地球繞太陽運行的平

16、面。黃道面與地球赤道面的交線，確定為確定為 軸的方向。在春季的第一天軸的方向。在春季的第一天( (春分點春分點) )，日心和地心連線的指向為，日心和地心連線的指向為軸軸 的正向，此方向稱為春分點方向。大家都知道，幾個世紀(jì)以來，的正向，此方向稱為春分點方向。大家都知道，幾個世紀(jì)以來，地球在緩慢地晃動，地球旋轉(zhuǎn)軸的方向也有緩慢的漂移。這種現(xiàn)象稱地球在緩慢地晃動，地球旋轉(zhuǎn)軸的方向也有緩慢的漂移。這種現(xiàn)象稱為進(jìn)動，它導(dǎo)致地球赤道平面和黃道平面交線的緩慢漂移。因此，日為進(jìn)動，它導(dǎo)致地球赤道平面和黃道平面交線的緩慢漂移。因此，日心黃道坐標(biāo)系實際上并不是一個慣性參考系。若需要特別精確時，就心黃道坐標(biāo)系實際上

17、并不是一個慣性參考系。若需要特別精確時，就需要注明所用的需要注明所用的 坐標(biāo)系是根據(jù)哪一特定年份坐標(biāo)系是根據(jù)哪一特定年份( (或稱或稱“歷歷元元”) )的春分點方向建立的。的春分點方向建立的。ssssO X Y ZsXsXssssO X Y Z空間飛行器總體設(shè)計sX 1 1）日心黃道坐標(biāo)系）日心黃道坐標(biāo)系 空間飛行器總體設(shè)計 空間飛行器總體設(shè)計 衛(wèi)星（航天器）運行軌道的形狀和在其間的位置，可以通衛(wèi)星（航天器）運行軌道的形狀和在其間的位置，可以通過過6 6個參量來表示，簡稱軌道要素或軌道根數(shù)。軌道六要素是個參量來表示，簡稱軌道要素或軌道根數(shù)。軌道六要素是描述和確定航天器軌道特征的量，它們是相互獨

18、立的，通常具描述和確定航天器軌道特征的量，它們是相互獨立的，通常具有十分明確的物理意義。有十分明確的物理意義。下面就橢圓軌道進(jìn)行介紹。下面就橢圓軌道進(jìn)行介紹?？臻g飛行器總體設(shè)計空間飛行器總體設(shè)計2 2）軌道參數(shù)的實際意義軌道參數(shù)的實際意義 確定衛(wèi)星軌道平面在空間的方位：由軌道傾角確定衛(wèi)星軌道平面在空間的方位：由軌道傾角i i和升交點赤經(jīng)和升交點赤經(jīng)確定。確定。 當(dāng)軌道傾角當(dāng)軌道傾角i=0 時，稱為赤道軌道；當(dāng)時，稱為赤道軌道；當(dāng)i90時，稱為極軌道；當(dāng)時，稱為極軌道；當(dāng) 0i90時，航天器運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，稱為順行軌道；時，航天器運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，稱為順行軌道；當(dāng)當(dāng) 90i

19、180時，航天器運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反，稱為逆時，航天器運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反，稱為逆行軌道。行軌道。 確定橢圓長軸在軌道平面上的指向：由近地點確定橢圓長軸在軌道平面上的指向：由近地點確定。確定。 確定橢圓軌道的形狀和大小：由長半軸確定橢圓軌道的形狀和大?。河砷L半軸 和偏心率和偏心率e e確定。確定。 確定航天器在軌道上的位置：由航天器過近地點時刻確定航天器在軌道上的位置：由航天器過近地點時刻 把時間和空間把時間和空間( (航天器在軌道上的位置航天器在軌道上的位置) )聯(lián)系起來。聯(lián)系起來?？臻g飛行器總體設(shè)計1 1）軌道攝動的分類）軌道攝動的分類按軌道攝動的起因，軌道攝動有以下幾種：按軌

20、道攝動的起因，軌道攝動有以下幾種： 地球形狀攝動地球形狀攝動地球形狀呈非球形和密度分布非中心對稱使地球形狀呈非球形和密度分布非中心對稱使衛(wèi)星軌道產(chǎn)生的攝動；衛(wèi)星軌道產(chǎn)生的攝動； 大氣阻力攝動大氣阻力攝動稀薄大氣給衛(wèi)星的阻力對衛(wèi)星軌道產(chǎn)生的攝稀薄大氣給衛(wèi)星的阻力對衛(wèi)星軌道產(chǎn)生的攝動；動； 光壓攝動光壓攝動太陽光輻射壓力對衛(wèi)星軌道產(chǎn)生的攝動；太陽光輻射壓力對衛(wèi)星軌道產(chǎn)生的攝動； 日、月攝動日、月攝動太陽、月球引力對衛(wèi)星軌道產(chǎn)生的攝動。太陽、月球引力對衛(wèi)星軌道產(chǎn)生的攝動。對近地衛(wèi)星而言，軌道的攝動因素主要為地球非球形和稀薄大氣。對近地衛(wèi)星而言，軌道的攝動因素主要為地球非球形和稀薄大氣?？臻g飛行器總體

21、設(shè)計1 1）地球形狀的攝動）地球形狀的攝動地球形狀攝動主要表現(xiàn)在兩個方面：地球形狀攝動主要表現(xiàn)在兩個方面：一是使衛(wèi)星的軌道面繞地球自轉(zhuǎn)軸緩慢轉(zhuǎn)動，即引起軌道面進(jìn)一是使衛(wèi)星的軌道面繞地球自轉(zhuǎn)軸緩慢轉(zhuǎn)動，即引起軌道面進(jìn)動，進(jìn)動方向與衛(wèi)星運行方向相反。軌道面進(jìn)動角速度與軌道半動，進(jìn)動方向與衛(wèi)星運行方向相反。軌道面進(jìn)動角速度與軌道半長軸長軸a a、偏心率、偏心率e e、傾角、傾角i i的關(guān)系可近似表示成的關(guān)系可近似表示成 升交點赤徑變化率；升交點赤徑變化率； 地球赤道半徑。地球赤道半徑。71222110.00() cos (/(1)Riea 度 天)1R空間飛行器總體設(shè)計1 1）地球形狀的攝動）地球形

22、狀的攝動地球形狀攝動主要表現(xiàn)在兩個方面：地球形狀攝動主要表現(xiàn)在兩個方面：地球形狀攝動的第二個效應(yīng)是使近地點位置（近地點幅角）變化，地球形狀攝動的第二個效應(yīng)是使近地點位置（近地點幅角）變化，即使近地點飄移。近地點幅角的平均變化速率為即使近地點飄移。近地點幅角的平均變化速率為 72122215.00() (5cos1)(/(1)Riea度 天)空間飛行器總體設(shè)計3 3）大氣阻力攝動）大氣阻力攝動 大氣阻力使軌道的半長軸大氣阻力使軌道的半長軸a a不斷減不斷減小，使遠(yuǎn)地點高度的下降比近地點高小，使遠(yuǎn)地點高度的下降比近地點高度的下降來得快，因而使橢圓軌道逐度的下降來得快，因而使橢圓軌道逐漸圓形化，即偏

23、心率漸圓形化，即偏心率e e不斷減小。隨不斷減小。隨著航天器高度的降低，大氣阻力的作著航天器高度的降低，大氣阻力的作用更加明顯，高度的衰減也愈來愈快，用更加明顯，高度的衰減也愈來愈快，最終使近地軌道航天器以螺旋形軌跡最終使近地軌道航天器以螺旋形軌跡墜入稠密大氣層隕毀。墜入稠密大氣層隕毀。 空間飛行器總體設(shè)計空間飛行器總體設(shè)計0sinsin(180)sRhRarcsin(sin)shRR2 arcsin(sin)shRdRR空間飛行器總體設(shè)計4 4）遙感器地面分辨率隨軌道高度增加而降低。）遙感器地面分辨率隨軌道高度增加而降低。 地面分辨率地面分辨率 的公式為的公式為 式中，式中， 攝影時的軌道高

24、度；攝影時的軌道高度； ff相機焦距；相機焦距； 攝影綜合分辨率。攝影綜合分辨率。 由上式可以看出，地面分辨率與軌道高度關(guān)系密切，軌道高度越低由上式可以看出，地面分辨率與軌道高度關(guān)系密切，軌道高度越低地面分辨率越高。因此，資源衛(wèi)星和偵察衛(wèi)星應(yīng)盡量降低軌道高度。地面分辨率越高。因此，資源衛(wèi)星和偵察衛(wèi)星應(yīng)盡量降低軌道高度。wSswzhSR fshzR空間飛行器總體設(shè)計空間飛行器總體設(shè)計1111）太陽同步軌道參數(shù)的相互制約；）太陽同步軌道參數(shù)的相互制約；1212）返回式衛(wèi)星的返回軌道對運行軌道的要求。返回衛(wèi)星的返回）返回式衛(wèi)星的返回軌道對運行軌道的要求。返回衛(wèi)星的返回航程與軌道高度存在正比關(guān)系，即軌

25、道高度越高返回航程越航程與軌道高度存在正比關(guān)系，即軌道高度越高返回航程越長，為保證衛(wèi)星于特定區(qū)域回收成功，也必須適當(dāng)?shù)卦O(shè)計制長，為保證衛(wèi)星于特定區(qū)域回收成功，也必須適當(dāng)?shù)卦O(shè)計制動火箭點火點的軌道高度。動火箭點火點的軌道高度。1313）衛(wèi)星地面測控站（船）的分布及測控任務(wù)的要求。衛(wèi)星主動）衛(wèi)星地面測控站（船）的分布及測控任務(wù)的要求。衛(wèi)星主動段、入軌段、運行段以及返回段的跟蹤、測量與控制與衛(wèi)星段、入軌段、運行段以及返回段的跟蹤、測量與控制與衛(wèi)星的軌道傾角相關(guān)。的軌道傾角相關(guān)。1414）飛行程序的要求。）飛行程序的要求?？臻g飛行器總體設(shè)計 衛(wèi)星進(jìn)入地球陰影的現(xiàn)象稱為衛(wèi)星食或星食。在衛(wèi)星設(shè)計衛(wèi)星進(jìn)入地

26、球陰影的現(xiàn)象稱為衛(wèi)星食或星食。在衛(wèi)星設(shè)計中要充分考慮這一常見現(xiàn)象，通常需要知道的參數(shù)有：中要充分考慮這一常見現(xiàn)象，通常需要知道的參數(shù)有： 1 1）衛(wèi)星運行一圈內(nèi)，衛(wèi)星處于地影內(nèi)的時間和衛(wèi)星周期之比，）衛(wèi)星運行一圈內(nèi)，衛(wèi)星處于地影內(nèi)的時間和衛(wèi)星周期之比，這個比值稱為星食因子。蓄電池設(shè)計與此比值有關(guān)。這個比值稱為星食因子。蓄電池設(shè)計與此比值有關(guān)。 2 2）進(jìn)出地影的時刻。大多數(shù)情況下。發(fā)射時間確定后，地影）進(jìn)出地影的時刻。大多數(shù)情況下。發(fā)射時間確定后，地影情況也就確定。情況也就確定。空間飛行器總體設(shè)計 衛(wèi)星和地心的連線與地球表面的交點稱為星下點。一般用地理衛(wèi)星和地心的連線與地球表面的交點稱為星下點

27、。一般用地理經(jīng)度經(jīng)度，地理緯度，地理緯度 來表示。隨著衛(wèi)星的運動，星下點在地面來表示。隨著衛(wèi)星的運動，星下點在地面（地圖）上描繪出的軌跡稱為星下點軌跡。（地圖）上描繪出的軌跡稱為星下點軌跡。 定義一：視地球為球形，定義一：視地球為球形， 把地心和衛(wèi)星的連線與球面的把地心和衛(wèi)星的連線與球面的 交點定義為星下點。見右圖。交點定義為星下點。見右圖。 空間飛行器總體設(shè)計 定義二：視地球為旋轉(zhuǎn)橢球體，把地心和衛(wèi)星的連線與橢定義二：視地球為旋轉(zhuǎn)橢球體，把地心和衛(wèi)星的連線與橢球面的交點定義為星下點。星下點緯度取地理緯度，下圖球面的交點定義為星下點。星下點緯度取地理緯度，下圖b b給出了地理緯度和地心緯度之間

28、的關(guān)系。給出了地理緯度和地心緯度之間的關(guān)系。 空間飛行器總體設(shè)計 如果用軌跡根數(shù)求出如果用軌跡根數(shù)求出t t0 0時刻的衛(wèi)星直角坐標(biāo)時刻的衛(wèi)星直角坐標(biāo)x,y,zx,y,z，則得到衛(wèi)，則得到衛(wèi)星地心緯度有下列關(guān)系式星地心緯度有下列關(guān)系式 衛(wèi)星赤徑衛(wèi)星赤徑有下列關(guān)系式有下列關(guān)系式 衛(wèi)星地理徑度衛(wèi)星地理徑度為為 式中，式中，t t0 0時刻的格林尼治恒星時。時刻的格林尼治恒星時。sinzr0000000tan0,0,0900,0,03600,0,901800,0,180270yxxyxyxyxy當(dāng)有當(dāng)有27當(dāng)有當(dāng)有空間飛行器總體設(shè)計2200220(1)aabbR yRyxyR xR00tanyx22

29、0220tantan1.006739tanaabbRyRRxR將定義一求出的將定義一求出的t t0 0時刻的星下點地心緯度時刻的星下點地心緯度換成地理緯度即可。換成地理緯度即可。 地球赤道半徑地球赤道半徑Ra=6378.140kmRa=6378.140km，地球極半徑，地球極半徑Rb=6356.755kmRb=6356.755km。圖。圖中中A A點的橢圓（剖面）法向和赤道的夾角點的橢圓（剖面）法向和赤道的夾角 為地理緯度。設(shè)為地理緯度。設(shè)A A點點在以地心為中心的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為在以地心為中心的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為x0 x0，y0y0，過該點的法線方，過該點的法線方程為程為 這樣，地心緯度這樣，

30、地心緯度為為 地理緯度地理緯度 為法線和為法線和x x軸的夾角，即軸的夾角，即空間飛行器總體設(shè)計 衛(wèi)星的發(fā)射窗口是指可以發(fā)射衛(wèi)星的時間集合，一般要根據(jù)衛(wèi)衛(wèi)星的發(fā)射窗口是指可以發(fā)射衛(wèi)星的時間集合，一般要根據(jù)衛(wèi)星使命，星、地各系統(tǒng)的要求，結(jié)合衛(wèi)星、太陽（或月亮）運動規(guī)星使命，星、地各系統(tǒng)的要求，結(jié)合衛(wèi)星、太陽（或月亮）運動規(guī)律確定允許發(fā)射衛(wèi)星的時間。通常將星箭分離時間作為計算的起點，律確定允許發(fā)射衛(wèi)星的時間。通常將星箭分離時間作為計算的起點，發(fā)射窗口的時間要扣除發(fā)射段飛行時間。發(fā)射窗口的時間要扣除發(fā)射段飛行時間。 限制發(fā)射時間的因素，隨衛(wèi)星的不同而不盡相同。常有的條件有：限制發(fā)射時間的因素，隨衛(wèi)星

31、的不同而不盡相同。常有的條件有： 1 1）太陽照射地面目標(biāo)的光照條件（太陽高度角）；）太陽照射地面目標(biāo)的光照條件（太陽高度角）； 2 2）衛(wèi)星太陽電池正常工作對太陽光照射星體的方向要求；）衛(wèi)星太陽電池正常工作對太陽光照射星體的方向要求； 3 3）衛(wèi)星姿態(tài)測量對地球、衛(wèi)星、太陽幾何關(guān)系的要求；）衛(wèi)星姿態(tài)測量對地球、衛(wèi)星、太陽幾何關(guān)系的要求； 4 4）衛(wèi)星姿態(tài)機動對地球、衛(wèi)星、太陽幾何關(guān)系的要求；）衛(wèi)星姿態(tài)機動對地球、衛(wèi)星、太陽幾何關(guān)系的要求；空間飛行器總體設(shè)計 5 5）衛(wèi)星熱控對太陽光照射星體方向的要求；）衛(wèi)星熱控對太陽光照射星體方向的要求； 6 6）衛(wèi)星某些特殊部件對太陽光、月球反射光、地球反

32、射光照射星體）衛(wèi)星某些特殊部件對太陽光、月球反射光、地球反射光照射星體方向的要求；方向的要求； 7 7）衛(wèi)星處于地影時的軌道弧段要求；）衛(wèi)星處于地影時的軌道弧段要求； 8 8）衛(wèi)星處于地影內(nèi)時間長短要求；）衛(wèi)星處于地影內(nèi)時間長短要求； 9 9）回收時間要求；）回收時間要求； 1010）其它要求。）其它要求。 這些要求可以分為衛(wèi)星、地球、太陽三者間的幾何關(guān)系及太陽照射星這些要求可以分為衛(wèi)星、地球、太陽三者間的幾何關(guān)系及太陽照射星體方向。體方向。空間飛行器總體設(shè)計 衛(wèi)星受大氣阻力的影響，軌道高度逐漸下降，最終進(jìn)入稠衛(wèi)星受大氣阻力的影響，軌道高度逐漸下降，最終進(jìn)入稠密大氣隕落，結(jié)束衛(wèi)星的軌道壽命。對

33、于低軌道衛(wèi)星，估算軌密大氣隕落，結(jié)束衛(wèi)星的軌道壽命。對于低軌道衛(wèi)星，估算軌道壽命是一項重要工作。道壽命是一項重要工作。 設(shè)設(shè)e e0 0認(rèn)為是壽命結(jié)束，認(rèn)為是壽命結(jié)束， ，壽命為，壽命為下標(biāo)下標(biāo)“0”0”為初始時的參數(shù)。為初始時的參數(shù)。式中，式中，H H密度標(biāo)高；密度標(biāo)高； 近地點處的大氣密度；近地點處的大氣密度； I1 虛變量的第一類貝塞爾函數(shù)。虛變量的第一類貝塞爾函數(shù)。aeH00()200102()pH eTn a kIPDAkCm空間飛行器總體設(shè)計u 近地軌道的概念：指衛(wèi)星軌道高度低于近地軌道的概念：指衛(wèi)星軌道高度低于1000km1000km的軌道。（用于的軌道。（用于資源衛(wèi)星、軍用偵察

34、衛(wèi)星、定位衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星，導(dǎo)航衛(wèi)星以資源衛(wèi)星、軍用偵察衛(wèi)星、定位衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星，導(dǎo)航衛(wèi)星以及用于天空實驗室、載人飛船等）。及用于天空實驗室、載人飛船等）。u 近地軌道衛(wèi)星具有近圓的特點：即近地軌道一般選用圓形或近近地軌道衛(wèi)星具有近圓的特點：即近地軌道一般選用圓形或近乎圓形的小偏心率軌道，這樣衛(wèi)星軌道的高度、速度變化均較乎圓形的小偏心率軌道，這樣衛(wèi)星軌道的高度、速度變化均較小?？梢姽庹障噘Y源衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、導(dǎo)航定位衛(wèi)星也常用圓小?？梢姽庹障噘Y源衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、導(dǎo)航定位衛(wèi)星也常用圓軌道。軌道。u 近地軌道衛(wèi)星的軌道控制：包括軌道傾角修正和平面內(nèi)的修正。近地軌道衛(wèi)星的軌道控制：包括軌道傾角修正和平面

35、內(nèi)的修正。平面內(nèi)的控制包括入軌誤差的修正和長期運行中的星下點軌跡平面內(nèi)的控制包括入軌誤差的修正和長期運行中的星下點軌跡的保持，有時還需要控制近地點幅角和偏心率的保持，有時還需要控制近地點幅角和偏心率e e?？臻g飛行器總體設(shè)計u 變軌策略：確定變軌分幾次進(jìn)行，每次變軌量的大小，每次變軌變軌策略：確定變軌分幾次進(jìn)行，每次變軌量的大小，每次變軌在什么時候進(jìn)行。這是轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計的重要內(nèi)容。在什么時候進(jìn)行。這是轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計的重要內(nèi)容。u 最佳的轉(zhuǎn)移軌道最佳的轉(zhuǎn)移軌道（近地點約（近地點約220km220km，遠(yuǎn)地，遠(yuǎn)地點高度與靜止軌道相近）。點高度與靜止軌道相近）。u 變軌策略的實施：變軌策略的實施： 固

36、體遠(yuǎn)地點發(fā)動機（選擇推力方向和點火時間）。固體遠(yuǎn)地點發(fā)動機（選擇推力方向和點火時間）。 液體遠(yuǎn)地點發(fā)動機（選擇推力方向、點火時間、發(fā)動機工作時間）。液體遠(yuǎn)地點發(fā)動機（選擇推力方向、點火時間、發(fā)動機工作時間）。u 變軌效果衡量標(biāo)準(zhǔn)：以節(jié)省燃料為目的。建立消耗燃料和變軌參數(shù)的數(shù)變軌效果衡量標(biāo)準(zhǔn)：以節(jié)省燃料為目的。建立消耗燃料和變軌參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式學(xué)關(guān)系式( (目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)) )，采用最優(yōu)的方法找出變軌參數(shù)的最優(yōu)解。，采用最優(yōu)的方法找出變軌參數(shù)的最優(yōu)解?？臻g飛行器總體設(shè)計 遠(yuǎn)地點發(fā)動機是將軌道傾角變?yōu)榱?，抬高轉(zhuǎn)移軌道近地點遠(yuǎn)地點發(fā)動機是將軌道傾角變?yōu)榱悖Ц咿D(zhuǎn)移軌道近地點高度的動力裝置，分為固體

37、遠(yuǎn)地點發(fā)動機和液體遠(yuǎn)地點發(fā)動機高度的動力裝置，分為固體遠(yuǎn)地點發(fā)動機和液體遠(yuǎn)地點發(fā)動機兩類。兩種發(fā)動機有不同的特點。兩類。兩種發(fā)動機有不同的特點。 (1) (1) 固體遠(yuǎn)地點發(fā)動機特點固體遠(yuǎn)地點發(fā)動機特點 固體發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，一次完成變軌任務(wù)、工作時間比較固體發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，一次完成變軌任務(wù)、工作時間比較短推力大，?？梢暈槊}沖點火加速。一般用自旋穩(wěn)定方向，短推力大，?？梢暈槊}沖點火加速。一般用自旋穩(wěn)定方向，推力方向在自旋軸方向。其總沖不可調(diào)，比沖也比較低，精度推力方向在自旋軸方向。其總沖不可調(diào)，比沖也比較低，精度較差?？赡軙霈F(xiàn)總沖和衛(wèi)星總重不協(xié)調(diào)的情況。這種不協(xié)調(diào)，較差?？赡軙霈F(xiàn)總沖和衛(wèi)星總

38、重不協(xié)調(diào)的情況。這種不協(xié)調(diào)，有時，可以用轉(zhuǎn)移軌道參數(shù)調(diào)整來解決。有時，可以用轉(zhuǎn)移軌道參數(shù)調(diào)整來解決?？臻g飛行器總體設(shè)計 (2) (2) 液體遠(yuǎn)地點發(fā)動機特點液體遠(yuǎn)地點發(fā)動機特點 液體發(fā)動機推力一般比較小，工作時間較長，和脈沖加速相比液體發(fā)動機推力一般比較小，工作時間較長，和脈沖加速相比較，稍有燃料的浪費。為了避免這種情況，利用液體發(fā)動機可以較，稍有燃料的浪費。為了避免這種情況，利用液體發(fā)動機可以多次工作的特點將變軌分幾次進(jìn)行。液體發(fā)動機可以視情況關(guān)多次工作的特點將變軌分幾次進(jìn)行。液體發(fā)動機可以視情況關(guān)機。用變軌前后的軌道測量結(jié)果進(jìn)行發(fā)動機變軌參數(shù)的標(biāo)定。對機。用變軌前后的軌道測量結(jié)果進(jìn)行發(fā)動機

39、變軌參數(shù)的標(biāo)定。對以后的變軌進(jìn)行修正。這樣可以提高變軌的精度。以后的變軌進(jìn)行修正。這樣可以提高變軌的精度。 液體推進(jìn)劑的比沖較高，幾乎不存在與衛(wèi)星總重不匹配的情況。液體推進(jìn)劑的比沖較高，幾乎不存在與衛(wèi)星總重不匹配的情況。尤其在與小推力器共用推進(jìn)劑的情況，推進(jìn)劑用量可以調(diào)整。尤其在與小推力器共用推進(jìn)劑的情況，推進(jìn)劑用量可以調(diào)整。 空間飛行器總體設(shè)計 VV在執(zhí)行整個空間飛行任務(wù)期間所需的速度增量之和。在執(zhí)行整個空間飛行任務(wù)期間所需的速度增量之和。 在初步設(shè)計時，可以用火箭方程估算所需的在初步設(shè)計時，可以用火箭方程估算所需的V V。 式中，式中， 是飛行器的干重；是飛行器的干重； 飛行器的初始質(zhì)量；

40、飛行器的初始質(zhì)量； 消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量。消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量。 上述方程沒有考慮由阻力和重力所引起的損失，因而代表了理想上述方程沒有考慮由阻力和重力所引起的損失，因而代表了理想的情況。實際上，可達(dá)到的的情況。實際上，可達(dá)到的V V要比理想值小一些。要比理想值小一些。000lnlnssTGMMVIIMMM0GTMMM0MTM空間飛行器總體設(shè)計 0exp() 11 exp()TGssVVMMMII 0exp() 11 exp()TGssVVMMMII空間飛行器總體設(shè)計空間飛行器總體設(shè)計空間飛行器總體設(shè)計空間飛行器總體設(shè)計空間飛行器總體設(shè)計空間飛行器總體設(shè)計空間飛行器總體設(shè)計u 定義：太陽同步軌道是指軌道

41、面進(jìn)動角速度與太陽在黃道定義：太陽同步軌道是指軌道面進(jìn)動角速度與太陽在黃道上運動的平均角速度（即地球繞太陽公轉(zhuǎn)的平均角速度上運動的平均角速度（即地球繞太陽公轉(zhuǎn)的平均角速度0.98560.9856/ /天）相同。天）相同。u 太陽同步軌道的特點：太陽同步軌道的特點： 太陽同步軌道傾角太陽同步軌道傾角i i必須大于必須大于9090，也稱逆行軌道。，也稱逆行軌道。 太陽同步圓軌道的半長軸不會大于太陽同步圓軌道的半長軸不會大于6000 km6000 km。 在實際應(yīng)用中對地觀測衛(wèi)星常選取太陽同步的回歸軌道。在實際應(yīng)用中對地觀測衛(wèi)星常選取太陽同步的回歸軌道?？臻g飛行器總體設(shè)計 空間飛行器總體設(shè)計 回歸軌

42、道是指星下點軌跡出現(xiàn)周期性重疊的軌道。重復(fù)回歸軌道是指星下點軌跡出現(xiàn)周期性重疊的軌道。重復(fù)出現(xiàn)的周期稱為回歸周期。在回歸軌道上運行的航天器，出現(xiàn)的周期稱為回歸周期。在回歸軌道上運行的航天器，每經(jīng)過一個回歸周期，航天器又出現(xiàn)在以前經(jīng)過的同一個每經(jīng)過一個回歸周期，航天器又出現(xiàn)在以前經(jīng)過的同一個地區(qū)。這樣就可以對航天器覆蓋的區(qū)域進(jìn)行動態(tài)監(jiān)視，以地區(qū)。這樣就可以對航天器覆蓋的區(qū)域進(jìn)行動態(tài)監(jiān)視，以發(fā)現(xiàn)這一段時間內(nèi)目標(biāo)的變化。如果一條衛(wèi)星軌道既是回發(fā)現(xiàn)這一段時間內(nèi)目標(biāo)的變化。如果一條衛(wèi)星軌道既是回歸軌道又是太陽同步軌道，則該軌道稱為太陽同步回歸軌歸軌道又是太陽同步軌道，則該軌道稱為太陽同步回歸軌道。道?？?/p>

43、間飛行器總體設(shè)計 當(dāng)航天器軌道面與地球赤道面重合，航天器運行方向和周期與當(dāng)航天器軌道面與地球赤道面重合，航天器運行方向和周期與地球自轉(zhuǎn)相同，并且軌道偏心率等于零，則這種軌道稱為地球靜地球自轉(zhuǎn)相同，并且軌道偏心率等于零，則這種軌道稱為地球靜止軌道。地球靜止軌道衛(wèi)星的特點：止軌道。地球靜止軌道衛(wèi)星的特點： 軌道傾角軌道傾角i=0i=0的赤道軌道；的赤道軌道； 偏心率偏心率e=0e=0的圓軌道；的圓軌道； 軌道高度軌道高度h=35810kmh=35810km的高軌道；的高軌道； 周期周期T24hT24h； 環(huán)繞速度環(huán)繞速度Ve=3.07km/sVe=3.07km/s?？臻g飛行器總體設(shè)計 極軌道為傾角

44、等于極軌道為傾角等于9090的軌道。但工程上把傾角稍的軌道。但工程上把傾角稍許偏離許偏離9090的軌道也稱為極軌道。沿這種軌道運行的航的軌道也稱為極軌道。沿這種軌道運行的航天器，每圈都經(jīng)過南極、北極地區(qū)，再加上地球自轉(zhuǎn)天器，每圈都經(jīng)過南極、北極地區(qū)，再加上地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)，能達(dá)到覆蓋全球的目的。效應(yīng)，能達(dá)到覆蓋全球的目的。 空間飛行器總體設(shè)計 為了能覆蓋高緯地區(qū)，可用臨界傾角大橢圓軌道。為了能覆蓋高緯地區(qū)，可用臨界傾角大橢圓軌道。 所謂臨界傾角就是當(dāng)軌道傾角為所謂臨界傾角就是當(dāng)軌道傾角為63.463.4或或116.6116.6時，軌道的時，軌道的近地點幅角由于攝動引起的變化率為零。若采用近地點在南

45、半近地點幅角由于攝動引起的變化率為零。若采用近地點在南半球球( (近地點幅角為近地點幅角為270)270)、高度約、高度約600km600km，遠(yuǎn)地點在北半球、高，遠(yuǎn)地點在北半球、高度約度約40000km40000km，軌道傾角為，軌道傾角為63.463.4，則當(dāng)衛(wèi)星運行在遠(yuǎn)地點前后，則當(dāng)衛(wèi)星運行在遠(yuǎn)地點前后很長一段軌道上，在北半球可以長時間看到衛(wèi)星。這就是周期很長一段軌道上，在北半球可以長時間看到衛(wèi)星。這就是周期為為12h12h的臨界傾角大橢圓軌道。的臨界傾角大橢圓軌道。 空間飛行器總體設(shè)計 甚低軌道是指近地點甚低軌道是指近地點200km200km左右，遠(yuǎn)地點左右，遠(yuǎn)地點400km400km

46、左右的左右的低地球軌道。其特點是軌道離地面高度接近最低的程低地球軌道。其特點是軌道離地面高度接近最低的程度；若再低，大氣阻力就太大，衛(wèi)星的軌道壽命太短，度；若再低，大氣阻力就太大，衛(wèi)星的軌道壽命太短，甚至不能形成正常運行的軌道。甚至不能形成正常運行的軌道。空間飛行器總體設(shè)計 由多顆衛(wèi)星通過不同或相同軌道組成全球覆蓋或一定區(qū)域覆蓋的由多顆衛(wèi)星通過不同或相同軌道組成全球覆蓋或一定區(qū)域覆蓋的衛(wèi)星網(wǎng)稱為星座。星座大致可有衛(wèi)星網(wǎng)稱為星座。星座大致可有4 4種類型：種類型： 一類是有幾個升交點赤經(jīng)均布、傾角和高度都相同的圓軌道（各一類是有幾個升交點赤經(jīng)均布、傾角和高度都相同的圓軌道（各軌道上均布相同數(shù)量的

47、衛(wèi)星），實現(xiàn)全球?qū)崟r連續(xù)覆蓋。這種實用軌道上均布相同數(shù)量的衛(wèi)星），實現(xiàn)全球?qū)崟r連續(xù)覆蓋。這種實用星座的軌道高度又可分為高（星座的軌道高度又可分為高（20000km20000km）、中（約）、中（約10000km10000km）、低）、低（約（約1000km1000km）三種。此類星座稱為均勻?qū)ΨQ星座；）三種。此類星座稱為均勻?qū)ΨQ星座； 第二類是由偏心率、軌道傾角和周期都相同，而升交點赤經(jīng)、近地第二類是由偏心率、軌道傾角和周期都相同，而升交點赤經(jīng)、近地點幅角和初始時刻的平近點角按一定規(guī)律分布的多顆衛(wèi)星所形成的點幅角和初始時刻的平近點角按一定規(guī)律分布的多顆衛(wèi)星所形成的星座，稱為橢圓軌道星座；星座，

48、稱為橢圓軌道星座；空間飛行器總體設(shè)計 第三類星座是由多顆衛(wèi)星分別分布在一個靜止軌道和一個第三類星座是由多顆衛(wèi)星分別分布在一個靜止軌道和一個（或幾個）傾角為（或幾個）傾角為9090的極地軌道或太陽同步軌道所形成的星的極地軌道或太陽同步軌道所形成的星座，該星座可稱為混合星座；座，該星座可稱為混合星座；第四類由一種編隊飛行的衛(wèi)星群，即由第四類由一種編隊飛行的衛(wèi)星群，即由2 2顆或顆或2 2顆以上衛(wèi)星保顆以上衛(wèi)星保持近距離編隊飛行（可形成長得多的天線基線持近距離編隊飛行（可形成長得多的天線基線虛擬天線虛擬天線或組成三星時差定位系統(tǒng)等），該衛(wèi)星群可稱為編隊星座?；蚪M成三星時差定位系統(tǒng)等），該衛(wèi)星群可稱為

49、編隊星座?？臻g飛行器總體設(shè)計 衛(wèi)星軌道選擇是衛(wèi)星頂層設(shè)計，是衛(wèi)星方案設(shè)計的前提（或衛(wèi)星軌道選擇是衛(wèi)星頂層設(shè)計，是衛(wèi)星方案設(shè)計的前提（或依據(jù)）之一。軌道選擇的任務(wù)：依據(jù)）之一。軌道選擇的任務(wù)： 一方面進(jìn)行具體軌道參數(shù)選擇和軌道相關(guān)設(shè)計。因為衛(wèi)星軌道一方面進(jìn)行具體軌道參數(shù)選擇和軌道相關(guān)設(shè)計。因為衛(wèi)星軌道或星座選擇直接影響到衛(wèi)星的總體方案和構(gòu)型設(shè)計（如用太陽或星座選擇直接影響到衛(wèi)星的總體方案和構(gòu)型設(shè)計（如用太陽同步軌道的衛(wèi)星要求有效載荷對地定向，太陽電池翼對日定同步軌道的衛(wèi)星要求有效載荷對地定向，太陽電池翼對日定向）。向）。另一方面要用較多的精力針對所選軌道去分析并提出用何種方另一方面要用較多的精力

50、針對所選軌道去分析并提出用何種方案去實現(xiàn)衛(wèi)星的任務(wù)要求。因為衛(wèi)星的方案和構(gòu)型又會對軌道案去實現(xiàn)衛(wèi)星的任務(wù)要求。因為衛(wèi)星的方案和構(gòu)型又會對軌道（或星座）提出一定的要求（如為了提高地面分辨率要求軌道（或星座）提出一定的要求（如為了提高地面分辨率要求軌道高度盡量低些等）。高度盡量低些等）?？臻g飛行器總體設(shè)計u對地觀測衛(wèi)星主要是要有高的地面分辨率和識別波譜特對地觀測衛(wèi)星主要是要有高的地面分辨率和識別波譜特性。性。u用于軍事目的的對地觀測衛(wèi)星，其軌道特點是近地近圓。用于軍事目的的對地觀測衛(wèi)星，其軌道特點是近地近圓。u對于開發(fā)地球和海洋資源的衛(wèi)星，其軌道特點一般是對于開發(fā)地球和海洋資源的衛(wèi)星，其軌道特點一

51、般是800 800 kmkm左右高度的太陽同步圓軌道，以滿足比較長的壽命和左右高度的太陽同步圓軌道，以滿足比較長的壽命和地面的光照條件。地面的光照條件。 空間飛行器總體設(shè)計u 地球靜止衛(wèi)星軌道：處于地球靜止衛(wèi)星軌道上的通信衛(wèi)星相對地球地球靜止衛(wèi)星軌道：處于地球靜止衛(wèi)星軌道上的通信衛(wèi)星相對地球靜止不動，地球站天線跟蹤簡單，并能實現(xiàn)晝夜不間斷的通信。靜止不動，地球站天線跟蹤簡單，并能實現(xiàn)晝夜不間斷的通信。u 大橢圓軌道：對于高緯度地區(qū)，地球站天線對靜止衛(wèi)星的仰角太低，大橢圓軌道：對于高緯度地區(qū)，地球站天線對靜止衛(wèi)星的仰角太低，信號傳輸中的大氣衰減比較嚴(yán)重，為了保證通信質(zhì)量需要增加衛(wèi)星信號傳輸中的大

52、氣衰減比較嚴(yán)重，為了保證通信質(zhì)量需要增加衛(wèi)星對覆蓋區(qū)的輻射功率、或提高地球站的接收能力。因此，有的通信對覆蓋區(qū)的輻射功率、或提高地球站的接收能力。因此，有的通信衛(wèi)星采用了大傾角、遠(yuǎn)地點達(dá)衛(wèi)星采用了大傾角、遠(yuǎn)地點達(dá)4 4萬公里的大橢圓軌道，用于高緯度地萬公里的大橢圓軌道，用于高緯度地區(qū)的通信。例如閃電一號的軌道就是如此。區(qū)的通信。例如閃電一號的軌道就是如此?？臻g飛行器總體設(shè)計u 軌道：多為太陽同步軌道或地球靜止衛(wèi)星軌道。軌道：多為太陽同步軌道或地球靜止衛(wèi)星軌道。u 太陽同步軌道呈圓形，偏心率小于千分之一，傾角大于太陽同步軌道呈圓形，偏心率小于千分之一，傾角大于9090，為了保證云圖的質(zhì)量，高度一

53、般在為了保證云圖的質(zhì)量，高度一般在8008001000 km1000 km，以便飛經(jīng)地，以便飛經(jīng)地球各地區(qū)時獲得的圖像有相同的光照條件。球各地區(qū)時獲得的圖像有相同的光照條件?？臻g飛行器總體設(shè)計 導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道均選用圓軌道，高度一般為中高軌道導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道均選用圓軌道，高度一般為中高軌道直到地球同步軌道。例如多普勒導(dǎo)航衛(wèi)星選用上千公里直到地球同步軌道。例如多普勒導(dǎo)航衛(wèi)星選用上千公里的圓形極軌道，既能減少大氣阻力對軌道的影響，又不的圓形極軌道，既能減少大氣阻力對軌道的影響，又不會使多普勒頻移減小和傳通誤差增大，極軌道還使軌道會使多普勒頻移減小和傳通誤差增大，極軌道還使軌道進(jìn)動最小和導(dǎo)航網(wǎng)比較穩(wěn)定。

54、進(jìn)動最小和導(dǎo)航網(wǎng)比較穩(wěn)定。 空間飛行器總體設(shè)計 測地衛(wèi)星的軌道一般采用測地衛(wèi)星的軌道一般采用10001000公里至數(shù)千公里近圓極公里至數(shù)千公里近圓極軌道。動力學(xué)測地衛(wèi)星采用一組具有不同傾角的軌道，軌道。動力學(xué)測地衛(wèi)星采用一組具有不同傾角的軌道，可獲得全球性引力場異常及其變化數(shù)據(jù)，從而提高對地可獲得全球性引力場異常及其變化數(shù)據(jù)，從而提高對地球引力場參數(shù)和地球形體的測定精度。球引力場參數(shù)和地球形體的測定精度。 空間飛行器總體設(shè)計 電于偵察衛(wèi)星的軌道一般為近圓形或圓形。為了兼電于偵察衛(wèi)星的軌道一般為近圓形或圓形。為了兼顧定位精度和衛(wèi)星長期工作的要求，單星定位制衛(wèi)星的顧定位精度和衛(wèi)星長期工作的要求，單

55、星定位制衛(wèi)星的軌道高度一般在軌道高度一般在400400公里到公里到500500公里，多星定位制衛(wèi)星的公里，多星定位制衛(wèi)星的軌道高度一般在軌道高度一般在10001000公里以上，有利于長期監(jiān)視大面積公里以上，有利于長期監(jiān)視大面積地區(qū)。地區(qū)。 空間飛行器總體設(shè)計軌道類型軌道類型應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍特性特性地球靜止軌道及其星座地球靜止軌道及其星座國際通信、區(qū)域和國內(nèi)通信廣播、國際通信、區(qū)域和國內(nèi)通信廣播、海事通信、移動通信、區(qū)域?qū)Ш健⒑Ｊ峦ㄐ?、移動通信、區(qū)域?qū)Ш?、區(qū)域氣象觀測等衛(wèi)星區(qū)域氣象觀測等衛(wèi)星在赤道上空的位置幾乎在赤道上空的位置幾乎保持不變保持不變太陽同步太陽同步(回歸回歸)軌道及其軌道及其星座星

56、座地球資源觀測、全球氣象觀測、地球資源觀測、全球氣象觀測、空間環(huán)境探測和科學(xué)技術(shù)試驗、空間環(huán)境探測和科學(xué)技術(shù)試驗、海洋監(jiān)測等衛(wèi)星海洋監(jiān)測等衛(wèi)星軌道旋轉(zhuǎn)，使得軌道相軌道旋轉(zhuǎn)，使得軌道相對于太陽方位近似不變對于太陽方位近似不變甚低軌道甚低軌道返回式遙感衛(wèi)星、載人飛船、航返回式遙感衛(wèi)星、載人飛船、航天飛機、空間試驗室、空間站等天飛機、空間試驗室、空間站等地面分辨率高，運載火地面分辨率高，運載火箭能力要求低箭能力要求低臨界傾角大橢圓軌道臨界傾角大橢圓軌道(周周期為期為12h)及其星座及其星座高緯度通信、空間環(huán)境探測和科高緯度通信、空間環(huán)境探測和科學(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星學(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星遠(yuǎn)地點遠(yuǎn)地點/近地點不變近地

57、點不變高高(約約20000km)、中、中(約約2000km)、低、低(1000km)軌軌道實時全球覆蓋星座道實時全球覆蓋星座全球移動通信全球移動通信(含少量固定通信含少量固定通信)、全球?qū)Ш?、全球環(huán)境監(jiān)測等衛(wèi)星全球?qū)Ш?、全球環(huán)境監(jiān)測等衛(wèi)星網(wǎng)網(wǎng)空間飛行器總體設(shè)計wSshzRswzhSR f空間飛行器總體設(shè)計 空間飛行器總體設(shè)計27109856. 0cosRrieTeTNDe360空間飛行器總體設(shè)計 地球靜止軌道參數(shù)選擇主要是確定定點位置及其精度。靜止軌道的通地球靜止軌道參數(shù)選擇主要是確定定點位置及其精度。靜止軌道的通信衛(wèi)星，它的軌道平面與地球赤道平面相重合，軌道傾角通常不為信衛(wèi)星，它的軌道平面與

58、地球赤道平面相重合，軌道傾角通常不為零，而是一個小傾角。零，而是一個小傾角。u 降低測量精度降低測量精度u 節(jié)省推進(jìn)劑。節(jié)省推進(jìn)劑。 為了提高高緯度地區(qū)對靜止軌道的通信衛(wèi)星的可見度，擴大高緯為了提高高緯度地區(qū)對靜止軌道的通信衛(wèi)星的可見度，擴大高緯度地區(qū)的通信覆蓋面積，在衛(wèi)星總體設(shè)計上，就讓衛(wèi)星存在一個小度地區(qū)的通信覆蓋面積，在衛(wèi)星總體設(shè)計上，就讓衛(wèi)星存在一個小傾角。我國發(fā)射的幾顆通信衛(wèi)星都存在一個小的傾角并且不加傾角。我國發(fā)射的幾顆通信衛(wèi)星都存在一個小的傾角并且不加修正，既可以節(jié)省推進(jìn)劑，又不影響通信。修正，既可以節(jié)省推進(jìn)劑，又不影響通信。空間飛行器總體設(shè)計 航天器在控制系統(tǒng)作用下使其軌道發(fā)生

59、有意的改變，稱為軌航天器在控制系統(tǒng)作用下使其軌道發(fā)生有意的改變，稱為軌道機動。換言之，軌道機動是指沿原軌道運行的航天器經(jīng)機動道機動。換言之，軌道機動是指沿原軌道運行的航天器經(jīng)機動改變成另一條所要求的新的軌道運行。改變成另一條所要求的新的軌道運行。 按原軌道和新軌道是否有相重點分類：按原軌道和新軌道是否有相重點分類：軌道改變：當(dāng)原軌道與新軌道相交（或相切）時，在交點（或軌道改變：當(dāng)原軌道與新軌道相交（或相切）時，在交點（或切點）施加一次沖量，即可使航天器由原軌道轉(zhuǎn)入新軌道，這切點）施加一次沖量，即可使航天器由原軌道轉(zhuǎn)入新軌道，這種情況稱為軌道改變。種情況稱為軌道改變?？臻g飛行器總體設(shè)計 軌道轉(zhuǎn)移

60、：當(dāng)原軌道與新軌道不相交（或不相切）時，則至少軌道轉(zhuǎn)移：當(dāng)原軌道與新軌道不相交（或不相切）時，則至少要施加兩次沖量才能使航天器由原軌道轉(zhuǎn)入新軌道，這種情況要施加兩次沖量才能使航天器由原軌道轉(zhuǎn)入新軌道，這種情況稱為軌道轉(zhuǎn)移。連接原軌道和新軌道的中間軌道，稱為過渡軌稱為軌道轉(zhuǎn)移。連接原軌道和新軌道的中間軌道，稱為過渡軌道或轉(zhuǎn)移軌道。道或轉(zhuǎn)移軌道。空間飛行器總體設(shè)計 衛(wèi)星從一個軌道轉(zhuǎn)移到另一個衛(wèi)星從一個軌道轉(zhuǎn)移到另一個軌道，通常是利用假定在瞬時之軌道，通常是利用假定在瞬時之間作用的速度增量間作用的速度增量V V完成的；完成的；也就是說，可以用單個或幾個推也就是說，可以用單個或幾個推力沖量來調(diào)整或改變