衛(wèi)星軌道計(jì)算概要課件

第2章

衛(wèi)星軌道張燕zy29209@163.com1第2章

衛(wèi)星軌道張燕12.1衛(wèi)星軌道特性2.2衛(wèi)星的定位2.3衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算2.4衛(wèi)星軌道攝動(dòng)2.5軌道特性對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響第2章衛(wèi)星軌道22.1衛(wèi)星軌道特性第2章衛(wèi)星軌道22.1衛(wèi)星軌道特性2.1.1開普勒定理衛(wèi)星運(yùn)行的軌跡和趨勢(shì)稱為衛(wèi)星運(yùn)行軌道。衛(wèi)星視使用目的和發(fā)射條件不同，可能有不同高度和不同形狀的軌道，但它們有一個(gè)共同點(diǎn)，就是它們的軌道位置都在通過地球垂心的一個(gè)平面內(nèi)。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)所在的平面叫軌道面。衛(wèi)星軌道可以是圓形或橢圓形。但不論軌道形狀如何，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)總是服從萬(wàn)有引力定律的。32.1衛(wèi)星軌道特性2.1.1開普勒定理3為了推導(dǎo)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，做如下假設(shè)衛(wèi)星被視為點(diǎn)質(zhì)量物體；地球是一個(gè)理想的球體，質(zhì)量均勻；衛(wèi)星僅僅受地球引力場(chǎng)的作用，忽略太陽(yáng)、月球和其它行星的引力作用。由此導(dǎo)出衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的三個(gè)定律（開普勒三大定律）。4為了推導(dǎo)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，做如下假設(shè)4衛(wèi)星地心O近地點(diǎn)遠(yuǎn)地點(diǎn)

假設(shè)地球是質(zhì)量均勻分布的圓球體，忽略太陽(yáng)、月球和其它行星的引力作用，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)服從開普勒三大定律。開普勒第一定律(橢圓定律)：衛(wèi)星以地心為一個(gè)焦點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)。C5衛(wèi)星地心O近地點(diǎn)遠(yuǎn)地點(diǎn)假設(shè)地球是質(zhì)量均勻分布的圓球體，S是衛(wèi)星，C是橢圓中心，O是地心，地心位于橢圓軌道的兩個(gè)焦點(diǎn)之一；a為軌道半長(zhǎng)軸，b為軌道半短軸，c為半焦距，是地心離橢圓中心的距離；rE為地球平均半徑，常用取值6378km；r為衛(wèi)星到地心的瞬時(shí)距離，r取值最大點(diǎn)稱為遠(yuǎn)地點(diǎn)，r取值最小的點(diǎn)稱為近地點(diǎn)。是衛(wèi)星—地心連線與地心近地點(diǎn)連線的夾角，是衛(wèi)星在軌道面內(nèi)相對(duì)于近地點(diǎn)的相位偏移量。6S是衛(wèi)星，C是橢圓中心，O是地心，地心位于橢圓軌道的兩個(gè)焦點(diǎn)為了描述軌道特性，使用如下參量偏心率e：橢圓焦點(diǎn)離開橢圓中心的比例，即橢圓焦距和長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的比值。它決定了橢圓軌道的扁平程度。e越大，軌道越扁，0e<1e=0時(shí)，衛(wèi)星軌道即為圓軌道7為了描述軌道特性，使用如下參量e越大，軌道越扁，0e<17近地點(diǎn)：衛(wèi)星離地球最近的點(diǎn)，長(zhǎng)度為近地點(diǎn)高度即衛(wèi)星在近地點(diǎn)時(shí)距離地面的高度遠(yuǎn)地點(diǎn)：衛(wèi)星離地球最遠(yuǎn)的點(diǎn)，長(zhǎng)度為遠(yuǎn)地點(diǎn)高度即衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)距離地面的高度8近地點(diǎn)：衛(wèi)星離地球最近的點(diǎn)，長(zhǎng)度為遠(yuǎn)地點(diǎn)：衛(wèi)星離地球最遠(yuǎn)的點(diǎn)

推導(dǎo)衛(wèi)星軌道平面的極坐標(biāo)表達(dá)式為：P、e的值均由衛(wèi)星入軌時(shí)的初始狀態(tài)所決定定義則9推導(dǎo)衛(wèi)星軌道平面的極坐標(biāo)表達(dá)式為：P、e的值均由衛(wèi)星入開普勒第二定律(面積定律)：衛(wèi)星與地心的連線在相同時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等。DCBA10開普勒第二定律(面積定律)：衛(wèi)星與地心的連線在相同時(shí)間內(nèi)掃由第二定律可導(dǎo)出衛(wèi)星在軌道上任意位置的瞬時(shí)速度為：v為衛(wèi)星在軌道上的瞬時(shí)速度。其中a為橢圓軌道的半長(zhǎng)軸，r為衛(wèi)星到地心的距離。

為開普勒常數(shù)，值為3.986

105km3/s2。這說明衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)行速度是不均勻的。衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的速度在近地點(diǎn)最大，在遠(yuǎn)地點(diǎn)最小。11由第二定律可導(dǎo)出衛(wèi)星在軌道上任意位置的瞬時(shí)速度為：v為衛(wèi)星在對(duì)于圓軌道，理論上衛(wèi)星將具有恒定的瞬時(shí)速度

為開普勒常數(shù)，值為3.986

105km3/s2。12對(duì)于圓軌道，理論上衛(wèi)星將具有恒定的瞬時(shí)速度為開普勒常數(shù)，值開普勒第三定律（調(diào)和定律）：衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)周期的平方與軌道半長(zhǎng)軸的3次方成正比。由此，衛(wèi)星繞地球飛行的周期T為可見，衛(wèi)星的軌道周期只與半長(zhǎng)軸有關(guān)，而與偏心率e（即軌道扁平程度）無(wú)關(guān)。13開普勒第三定律（調(diào)和定律）：衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)周期的平方與軌道半長(zhǎng)軸近地點(diǎn)遠(yuǎn)地點(diǎn)半長(zhǎng)軸半短軸例1我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星的近地點(diǎn)高度hA=439km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度hB=2384km。試求其軌道方程。公轉(zhuǎn)周期、遠(yuǎn)地點(diǎn)和近地點(diǎn)的瞬時(shí)速度v(rmax)和v(rmin)。已知地球半徑R=6378km。14近地點(diǎn)遠(yuǎn)地點(diǎn)半長(zhǎng)軸半短軸例1我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星的近地點(diǎn)解：軌道方程15解：軌道方程15公轉(zhuǎn)周期遠(yuǎn)地點(diǎn)瞬時(shí)速度近地點(diǎn)瞬時(shí)速度16公轉(zhuǎn)周期遠(yuǎn)地點(diǎn)瞬時(shí)速度近地點(diǎn)瞬時(shí)速度16例2已知地球半徑R=6378km，靜止衛(wèi)星的周期T=24恒星時(shí)=23h56min4.09s(平均太陽(yáng)時(shí)),求衛(wèi)星離地面高度h和勻速圓周運(yùn)動(dòng)速度v。解：由于靜止衛(wèi)星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，r=a，由開普勒第三定理17例2已知地球半徑R=6378km，靜止衛(wèi)星的周期T=24恒瞬時(shí)速度恒定為：由此，衛(wèi)星離地面高度為18瞬時(shí)速度恒定為：由此，衛(wèi)星離地面高度為182.1.2衛(wèi)星軌道分類1、按形狀分類橢圓軌道偏心率不等于0的衛(wèi)星軌道，衛(wèi)星在軌道上做非勻速運(yùn)動(dòng)，適合高緯度地區(qū)通信圓軌道具有相對(duì)恒定的運(yùn)動(dòng)速度，可以提供較均勻的覆蓋特性，適合均勻覆蓋的衛(wèi)星系統(tǒng)192.1.2衛(wèi)星軌道分類1、按形狀分類192、按傾角分類衛(wèi)星軌道平面與赤道平面的夾角，稱為衛(wèi)星軌道平面的傾角，記為i。赤道軌道。i=0，軌道面與赤道面重合；靜止通信衛(wèi)星就位于此軌道平面內(nèi)。極地軌道。i=90，軌道面穿過地球南北極。傾斜軌道。軌道面傾斜于赤道。根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向和地球自轉(zhuǎn)方向的差別分為順行傾斜軌道，0<i<90

逆行傾斜軌道，90<i<180

202、按傾角分類20靜止軌道順行傾斜軌道逆行傾斜軌道21靜止順行傾斜軌道逆行傾斜軌道21(a)赤道軌道(b)極地軌道(c)順行傾斜軌道(d)逆行傾斜軌道22(a)(b)(c)(d)223、按高度分類根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行軌道距離地面的高度h，可分為低軌道(LEO)：500<h<2000km中軌道(MEO)：8000km<h<20000km靜止/同步軌道(GEO)：h=35786km。高軌道(HEO)：h>20000km，橢圓軌道，遠(yuǎn)地點(diǎn)可達(dá)40000km233、按高度分類23高橢圓軌道HEO24高橢圓軌道24太陽(yáng)日和恒星日的概念太陽(yáng)日：以太陽(yáng)為參考方向時(shí)，地球自轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間，長(zhǎng)度為24小時(shí)恒星日：以無(wú)窮遠(yuǎn)處的恒星為參考方向時(shí)，地球自轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間，長(zhǎng)度小于太陽(yáng)日長(zhǎng)度，為23小時(shí)56分04秒25太陽(yáng)日和恒星日的概念254、按軌道周期分類由于地球的自轉(zhuǎn)特性，衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)一圈后，不一定會(huì)重復(fù)前一圈的軌跡，因此可以根據(jù)星下點(diǎn)軌跡的重復(fù)特性對(duì)衛(wèi)星軌道分類回歸/準(zhǔn)回歸軌道衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡在M個(gè)恒星日，繞地球旋轉(zhuǎn)N圈后重復(fù)的軌道M,N為整數(shù)，M=1為回歸軌道，M>1為準(zhǔn)回歸軌道。軌道周期為M/N恒星日非回歸軌道264、按軌道周期分類26同步軌道衛(wèi)星和靜止軌道衛(wèi)星衛(wèi)星運(yùn)行的方向和地球自轉(zhuǎn)的方向相同，運(yùn)行周期與地球自轉(zhuǎn)周期（23小時(shí)56分4秒，即1恒星日）相同的軌道稱為地球同步衛(wèi)星軌道（簡(jiǎn)稱同步軌道）。而在無(wú)數(shù)條同步軌道中，有一條圓形軌道，它的軌道平面與地球赤道平面重合，傾角為0，這條軌道就稱為地球靜止衛(wèi)星軌道，高度大約是35786公里。在這個(gè)軌道上的所有衛(wèi)星，從地面上看都像是懸在赤道上空靜止不動(dòng)，這樣的衛(wèi)星稱為地球靜止軌道衛(wèi)星，簡(jiǎn)稱靜止衛(wèi)星。人們通常簡(jiǎn)稱的同步軌道衛(wèi)星一般指的是靜止衛(wèi)星。27同步軌道衛(wèi)星和靜止軌道衛(wèi)星衛(wèi)星運(yùn)行的方向和地球自轉(zhuǎn)的方向相同衛(wèi)星通信示意圖28衛(wèi)星通信示意圖28三顆靜止衛(wèi)星就可基本覆蓋全球，其應(yīng)用較為廣泛，但地球上空的靜止軌道只有一條，軌道資源較為緊張。因此，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)鼓勵(lì)采用對(duì)地傾斜同步軌道(IGSO)。例如，我國(guó)北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)采用了5顆相隔60o的地球靜止軌道衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO星)及分布在3個(gè)軌道面內(nèi)24顆傾角為55°的中高度圓軌道衛(wèi)星(MEO衛(wèi)星)。29三顆靜止衛(wèi)星就可基本覆蓋全球，其應(yīng)用較為廣泛，但地球上空的靜靜止衛(wèi)星通信的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：除衛(wèi)星通信的一般優(yōu)點(diǎn)（如通信距離遠(yuǎn)，覆蓋面積大等）之外，靜止衛(wèi)星通信的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是，地球站不需要復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)即可對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。30靜止衛(wèi)星通信的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：30缺點(diǎn)：保密性較差；時(shí)延長(zhǎng)；靜止衛(wèi)星的發(fā)射與控制技術(shù)比較復(fù)雜，運(yùn)營(yíng)成本高；地球的兩極地區(qū)為通信盲區(qū)，而且地球的高緯度地區(qū)通信效果較差；地球的靜止軌道只有一條，因此軌道上所能容納的靜止衛(wèi)星數(shù)目有限。31缺點(diǎn)：31低軌道衛(wèi)星通信的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：由于衛(wèi)星高度低，信號(hào)衰減小，時(shí)延?。恍l(wèi)星重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；將衛(wèi)星均勻地排布在整個(gè)地球的周圍，即使是在南北極，也能使用低軌道衛(wèi)星進(jìn)行通信，這是靜止衛(wèi)星通信的盲區(qū)。32低軌道衛(wèi)星通信的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：32缺點(diǎn)：覆蓋整個(gè)地球需要大量衛(wèi)星，系統(tǒng)復(fù)雜；衛(wèi)星數(shù)量多，壽命短，運(yùn)行期間要及時(shí)補(bǔ)充發(fā)射替代或備用衛(wèi)星，系統(tǒng)投資較高。33缺點(diǎn)：332.2衛(wèi)星的定位衛(wèi)星對(duì)地球的定位——星下點(diǎn)軌跡星下點(diǎn)：衛(wèi)星與地心連線和地球表面的交點(diǎn)。星下點(diǎn)隨時(shí)間在地球表面上的變化路徑稱為星下點(diǎn)軌跡。342.2衛(wèi)星的定位衛(wèi)星對(duì)地球的定位——星下點(diǎn)軌跡3435353636星下點(diǎn)位于衛(wèi)星的垂直下方，由此赤道上空的衛(wèi)星其星下點(diǎn)就在赤道上。因此，對(duì)于靜止軌道衛(wèi)星其星下點(diǎn)軌跡就是赤道上的一個(gè)點(diǎn)，由此可用星下點(diǎn)來表示其在軌道上的位置（用經(jīng)度來表示），例如“中星9號(hào)” 92.2°E“鑫諾三號(hào)” 125.0°EINTELSAT14 45.0°W37星下點(diǎn)位于衛(wèi)星的垂直下方，由此赤道上空的衛(wèi)星其星下點(diǎn)就在赤道傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)具有與靜止軌道(GEO)相同的軌道高度，因此具有與地球自轉(zhuǎn)周期相同的軌道周期，但由于軌道傾角大于0°，其星下點(diǎn)軌跡在地面就不是一個(gè)點(diǎn)，而是以赤道為對(duì)稱軸的“8”字形，軌道傾角越大，“8”字形的區(qū)域也越大。采用IGSO能充分利用GEO的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了其高緯度區(qū)始終是低仰角的問題。38傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)具有與靜止軌道(GEO)相同2.3衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算對(duì)于單顆衛(wèi)星而言，“衛(wèi)星覆蓋面積”就是指衛(wèi)星上發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)可以在直線距離上傳播而不需要經(jīng)過反射、轉(zhuǎn)播而被接收到的范圍，也就是說在地面如果可以直接從衛(wèi)星上接收信號(hào)的地方，就是在此衛(wèi)星的信號(hào)“覆蓋面積”之內(nèi)。392.3衛(wèi)星覆蓋特性計(jì)算對(duì)于單顆衛(wèi)星而言，“衛(wèi)星覆蓋面積”衛(wèi)星全球波束覆蓋特性示意圖X40衛(wèi)星全球波束覆蓋特性示意圖X40

e是觀察點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的仰角，以觀察點(diǎn)的地平線為參考，可取值范圍為[-90

,90

]。是衛(wèi)星和觀察點(diǎn)間的地心角，可取值范圍為[0

,180

]。是衛(wèi)星的半視角(或半俯角)，可取值范圍為[0

,90

]。d是衛(wèi)星到觀察點(diǎn)的距離。X是衛(wèi)星覆蓋區(qū)的半徑。rE是地球平均半徑，常用取值6378km。h是衛(wèi)星軌道高度。41e是觀察點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的仰角，以觀察點(diǎn)的地平線為參考，可取值范圍衛(wèi)星和觀察點(diǎn)間的地心角衛(wèi)星的半視角觀察點(diǎn)的仰角42衛(wèi)星和觀察點(diǎn)間的地心角衛(wèi)星的半視角觀察點(diǎn)的仰角42站星距(星地距離)：觀察點(diǎn)與衛(wèi)星間的距離覆蓋區(qū)半徑覆蓋區(qū)面積43站星距(星地距離)：觀察點(diǎn)與衛(wèi)星間的距離覆蓋區(qū)半徑覆蓋區(qū)面積

e是地球站對(duì)衛(wèi)星的仰角，理論上來說，可取值范圍為[0

,90

]，實(shí)際上，當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€對(duì)衛(wèi)星的仰角接近0時(shí)，因?yàn)檠鼋沁^低，受地形、地物及地面噪聲的影響，不能進(jìn)行有效的通信。因此對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，有個(gè)最小仰角e的給定指標(biāo)，低于此仰角區(qū)域不能通信。例如，INTELSAT規(guī)定地球站天線的工作仰角不得小于5。最小仰角e是系統(tǒng)的一個(gè)給定指標(biāo)。根據(jù)最小仰角e和衛(wèi)星軌道高度h即可計(jì)算衛(wèi)星的覆蓋情況。44e是地球站對(duì)衛(wèi)星的仰角，理論上來說，可取值范圍為[0,例3：已知靜止衛(wèi)星的最小仰角

e=10，計(jì)算衛(wèi)星的最大覆蓋地心角、半視角、最大星地傳輸距離、覆蓋區(qū)面積和最大單程傳輸時(shí)延。解：已知最小仰角軌道高度由此，衛(wèi)星的最大覆蓋地心角地球平均半徑45例3：已知靜止衛(wèi)星的最小仰角e=10，計(jì)算衛(wèi)星的最大覆蓋衛(wèi)星的半視角最大星地距離光速C=3108m/s=3105km/s，最大單程傳輸時(shí)延46衛(wèi)星的半視角最大星地距離光速C=3108m/s=3105覆蓋區(qū)半徑覆蓋區(qū)面積覆蓋區(qū)面積占全球面積的比例47覆蓋區(qū)半徑覆蓋區(qū)面積覆蓋區(qū)面積占全球面積的比例47例4：已知某衛(wèi)星的軌道高度為1450km，系統(tǒng)允許的最小接入仰角為10，試計(jì)算該衛(wèi)星能夠提供的最長(zhǎng)連續(xù)服務(wù)時(shí)間。解：隨著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，觀察點(diǎn)的仰角經(jīng)歷了從最小接入值增大到最大值90（衛(wèi)星恰好通過用戶上空），再減小到最小接入值的過程。該過程中衛(wèi)星能夠提供連續(xù)服務(wù)。此期間衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)掃過的地心角為2max48例4：已知某衛(wèi)星的軌道高度為1450km，系統(tǒng)允許的最小接入根據(jù)開普勒定理，衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)周期為衛(wèi)星能夠提供的最長(zhǎng)連續(xù)服務(wù)時(shí)間，即衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)掃過2max的時(shí)間49根據(jù)開普勒定理，衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)周期為衛(wèi)星能夠更多時(shí)候，觀察點(diǎn)和衛(wèi)星的地理位置使用經(jīng)緯度坐標(biāo)的形式給出。以(1,1)表示觀察點(diǎn)的經(jīng)緯度，(2,2)表示衛(wèi)星的星下點(diǎn)的瞬時(shí)經(jīng)緯度，則兩者所夾地心角對(duì)靜止衛(wèi)星，星下點(diǎn)緯度2=0，則50更多時(shí)候，觀察點(diǎn)和衛(wèi)星的地理位置使用經(jīng)緯度坐標(biāo)的形式給出。對(duì)方位角、仰角和站星距的計(jì)算在地球站的調(diào)測(cè)、開通和使用過程中，都要知道地球站天線工作時(shí)的方位角、仰角，此外，為了計(jì)算信號(hào)的傳輸損耗，還必須知道地球站和衛(wèi)星的距離，即站星距。對(duì)靜止衛(wèi)星，地球站的經(jīng)度和緯度分別為1和1，靜止衛(wèi)星星下點(diǎn)的經(jīng)度和緯度分別為2和0，站星距51方位角、仰角和站星距的計(jì)算在地球站的調(diào)測(cè)、開通和使用過程中，靜止衛(wèi)星觀察參數(shù)圖解52靜止衛(wèi)星觀察參數(shù)圖解52仰角：天線軸線與水平面之間的夾角。53仰角：天線軸線與水平面之間的夾角。53方位角：從正北方起，依順時(shí)針方向至目標(biāo)方向線的水平夾角，取值范圍為[0

,360]。由靜止衛(wèi)星觀察參數(shù)圖解可得54方位角：從正北方起，依順時(shí)針方向至目標(biāo)方向線的水平夾角，取值利用上式求出的角度

a是以正南方向?yàn)榛鶞?zhǔn)推出的，方位角是以正北方為基準(zhǔn)，因此若地球站位于北半球若地球站位于南半球55利用上式求出的角度a是以正南方向?yàn)榛鶞?zhǔn)推出的，方位角是以正例5：“鑫諾三號(hào)”衛(wèi)星位于125E(東經(jīng))，成都地球站位于東經(jīng)104

,北緯31

，求該地球站接收鑫諾三號(hào)衛(wèi)星信號(hào)的方位角、仰角。解：仰角方位角為180-a=143.3，也可表示為“南偏東36.7”56例5：“鑫諾三號(hào)”衛(wèi)星位于125E(東經(jīng))，成都地球站位于通信衛(wèi)星的覆蓋圖上面我們分析的是全球波束均勻覆蓋情況，實(shí)際應(yīng)用中，由于地形環(huán)境、以及實(shí)際需求的影響，很多時(shí)候并不是全球波束均勻覆蓋。通常通信衛(wèi)星的發(fā)射覆蓋區(qū)域用衛(wèi)星的有效全向輻射功率(EIRP)等值線圖來表示。EIRP表示衛(wèi)星輻射能力的物理量，單位dBW。例：下圖給出了“中星6B”衛(wèi)星(115.5°E)的EIRP等值線圖，單位dBW。57通信衛(wèi)星的覆蓋圖上面我們分析的是全球波束均勻覆蓋情況，實(shí)際應(yīng)5858幾種常見波束覆蓋區(qū)域示意圖59幾種常見波束覆蓋區(qū)域示意圖592.4衛(wèi)星軌道攝動(dòng)前面關(guān)于衛(wèi)星軌道的分析和推導(dǎo)都基于假設(shè)衛(wèi)星僅僅受地球引力場(chǎng)的作用；衛(wèi)星被視為點(diǎn)質(zhì)量物體；地球是一個(gè)理想的球體。但以上假設(shè)在實(shí)際中都得不到滿足，由于一些因素的影響，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軌道不斷發(fā)生不同程度地偏離開普勒定律所確定的理想軌道的現(xiàn)象，稱為攝動(dòng)。602.4衛(wèi)星軌道攝動(dòng)前面關(guān)于衛(wèi)星軌道的分析和推導(dǎo)都基于假設(shè)6引起人造地球衛(wèi)星軌道攝動(dòng)的常見因素如下太陽(yáng)、月亮引力的影響地球引力場(chǎng)不均勻的影響地球大氣層阻力的影響太陽(yáng)輻射壓力的影響為了抵消攝動(dòng)帶來的影響，衛(wèi)星在其生存周期內(nèi)需要進(jìn)行周期性的軌道保持和姿態(tài)調(diào)整。61引起人造地球衛(wèi)星軌道攝動(dòng)的常見因素如下61衛(wèi)星的位置保持?jǐn)z動(dòng)對(duì)靜止衛(wèi)星定點(diǎn)位置的保持非常不利，為了克服攝動(dòng)的影響，靜止衛(wèi)星系統(tǒng)中必須采用位置保持技術(shù)，通常是通過點(diǎn)燃星上的小推進(jìn)器（利用噴氣燃料）來校正衛(wèi)星位置。62衛(wèi)星的位置保持?jǐn)z動(dòng)對(duì)靜止衛(wèi)星定點(diǎn)位置的保持非常不利，為了克服衛(wèi)星姿態(tài)控制衛(wèi)星有自己的特定任務(wù)，在飛行時(shí)對(duì)它的飛行姿態(tài)都有一定的要求。比如，通信衛(wèi)星需要天線始終對(duì)準(zhǔn)地面，對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星需要觀測(cè)儀器窗口始終對(duì)準(zhǔn)地面。衛(wèi)星在失重環(huán)境下飛行，如果不對(duì)它進(jìn)行姿態(tài)控制的話，就會(huì)亂翻筋斗，不能正常完成任務(wù)。63衛(wèi)星姿態(tài)控制衛(wèi)星有自己的特定任務(wù)，在飛行時(shí)對(duì)它的飛行姿態(tài)都有衛(wèi)星的姿態(tài)控制有自旋穩(wěn)定、重力梯度穩(wěn)定、磁力穩(wěn)定、三軸穩(wěn)定等多種，常用的是自旋和三軸穩(wěn)定。自旋穩(wěn)定法早期靜止衛(wèi)星常用的姿態(tài)控制方法，通過衛(wèi)星圍繞自身對(duì)稱軸不停旋轉(zhuǎn)而使衛(wèi)星姿態(tài)保持穩(wěn)定的方法。自旋穩(wěn)定法實(shí)現(xiàn)容易，成本低，但對(duì)衛(wèi)星外形上要求較嚴(yán)格，指向精度也較低。64衛(wèi)星的姿態(tài)控制有自旋穩(wěn)定、重力梯度穩(wěn)定、磁力穩(wěn)定、三軸穩(wěn)定等自旋穩(wěn)定衛(wèi)星65自旋穩(wěn)定衛(wèi)星656666三軸穩(wěn)定法衛(wèi)星的姿態(tài)是由穩(wěn)定穿過衛(wèi)星重心的三個(gè)軸來保證的。這三個(gè)軸分別在衛(wèi)星軌道的切線、法線和軌道平面的垂線等三個(gè)方向上，分別對(duì)應(yīng)叫做滾動(dòng)軸、俯仰軸和偏航軸星體本身不自轉(zhuǎn)，而是依靠衛(wèi)星上一些氣體噴嘴、反作用輪及一些姿態(tài)感應(yīng)元件，使衛(wèi)星在三個(gè)軸方向上維持穩(wěn)定的取向。三軸穩(wěn)定法突破了外形的限制，且星體不旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)伸縮性強(qiáng)，可以安裝大型附件，指向精度、穩(wěn)定度比較高。但由于一面始終向陽(yáng)，容易受熱不均。67三軸穩(wěn)定法67三軸穩(wěn)定法示意圖68三軸穩(wěn)定法示意圖68三軸穩(wěn)定衛(wèi)星69三軸穩(wěn)定衛(wèi)星692.5軌道特性對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響2.5.1多普勒頻移多普勒效應(yīng)：波在波源移向觀察者時(shí)頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)頻率變低。對(duì)應(yīng)的，在無(wú)線通信領(lǐng)域普遍存在多普勒頻移的問題。702.5軌道特性對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響2.5.1多普勒頻移7多普勒頻移：當(dāng)無(wú)線通信收發(fā)設(shè)備間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收端接收信號(hào)的頻率與發(fā)送端發(fā)送信號(hào)的頻率間會(huì)存在差異。多普勒頻移的大小f與為收發(fā)設(shè)備間的徑向速度VT，波長(zhǎng)

，發(fā)送信號(hào)頻率fT有關(guān)其中c為光速VT>0，收發(fā)端靠近，頻偏為正VT<0，收發(fā)端遠(yuǎn)離，頻偏為負(fù)VT發(fā)送端接收端71多普勒頻移：當(dāng)無(wú)線通信收發(fā)設(shè)備間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收端接收信例：飛機(jī)沿赤道相對(duì)地面以速度vD水平飛行，此時(shí)接收波長(zhǎng)為

的靜止衛(wèi)星(GEO)信號(hào)，仰角為

e，求多普勒頻移f？72例：飛機(jī)沿赤道相對(duì)地面以速度vD水平飛行，此時(shí)接收波長(zhǎng)為例6：某圓軌道衛(wèi)星的軌道高度為1450km。假設(shè)接收機(jī)位于軌道平面內(nèi)，系統(tǒng)標(biāo)稱工作頻率為2.5GHz，試求衛(wèi)星位于接收機(jī)所在水平面時(shí)，接收端的多普勒頻移。如果系統(tǒng)工作頻率為20GHz，同樣條件下的多普勒頻移有多大？解：繪圖73例6：某圓軌道衛(wèi)星的軌道高度為1450km。假設(shè)接收機(jī)位于軌衛(wèi)星瞬時(shí)速度由開普勒第二定律可得衛(wèi)星與接收機(jī)間的徑向速度VT工作頻率2.5GHz時(shí)工作頻率20GHz時(shí)74衛(wèi)星瞬時(shí)速度由開普勒第二定律可得衛(wèi)星與接收機(jī)間的徑向速度VT對(duì)于靜止軌道衛(wèi)星通信，產(chǎn)生多普勒頻移主要是因?yàn)橛脩艚K端的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于非靜止軌道衛(wèi)星通信，多普勒頻移主要取決于衛(wèi)星相對(duì)與地面目標(biāo)的快速移動(dòng)。因此，多普勒頻移對(duì)低軌衛(wèi)星系統(tǒng)影響較大。下面列出了GEO、MEO和LEO衛(wèi)星系統(tǒng)在C波段時(shí)的最大多普勒頻移典型值。軌道類型GEOMEOLEO多普勒頻移(KHz)1100200切換時(shí)多普勒跳變值(KHz)無(wú)20040075對(duì)于靜止軌道衛(wèi)星通信，產(chǎn)生多普勒頻移主要是因?yàn)橛脩艚K端的運(yùn)動(dòng)2.5.2日蝕衛(wèi)星與太陽(yáng)間的直視路徑被地球遮擋的現(xiàn)象稱為衛(wèi)星的日蝕，也稱星蝕。對(duì)靜止軌道衛(wèi)星而言，日蝕發(fā)生在每年春分和秋分前后各23天的午夜。此時(shí)衛(wèi)星、地球和太陽(yáng)處于一條直線上，地球擋住了陽(yáng)光對(duì)衛(wèi)星的照射，衛(wèi)星進(jìn)入地球的陰影區(qū)。每天發(fā)生星