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1、1张燕张燕22.1 卫星轨道特性卫星轨道特性2.2 卫星的定位卫星的定位2.3 卫星覆盖特性计算卫星覆盖特性计算2.4 卫星轨道摄动卫星轨道摄动2.5 轨道特性对通信系统性能的影响轨道特性对通信系统性能的影响32.1 卫星轨道特性卫星轨道特性2.1.1 开普勒定理开普勒定理v卫星运行的轨迹和趋势称为卫星运行轨道。卫星运行的轨迹和趋势称为卫星运行轨道。v卫星视使用目的和发射条件不同，可能有不卫星视使用目的和发射条件不同，可能有不同高度和不同形状的轨道，但它们有一个共同高度和不同形状的轨道，但它们有一个共同点，就是它们的轨道位置都在通过地球垂同点，就是它们的轨道位置都在通过地球垂心的一个平面内。卫
2、星运动所在的平面叫轨心的一个平面内。卫星运动所在的平面叫轨道面。卫星轨道可以是圆形或椭圆形。但不道面。卫星轨道可以是圆形或椭圆形。但不论轨道形状如何，卫星的运动总是服从万有论轨道形状如何，卫星的运动总是服从万有引力定律的。引力定律的。4v为了推导卫星运动规律，做如下假设为了推导卫星运动规律，做如下假设卫星被视为点质量物体；卫星被视为点质量物体；地球是一个理想的球体，质量均匀；地球是一个理想的球体，质量均匀；卫星仅仅受地球引力场的作用卫星仅仅受地球引力场的作用由此导出由此导出5卫星卫星地心地心O近地点近地点远地点远地点C6vS是卫星，是卫星，C是椭圆中心，是椭圆中心，O是地心，地心位是地心，地心
3、位于椭圆轨道的两个焦点之一；于椭圆轨道的两个焦点之一；va为轨道半长轴，为轨道半长轴，b为轨道半短轴，为轨道半短轴，c为半焦距，为半焦距，是地心离椭圆中心的距离；是地心离椭圆中心的距离；vrE为地球平均半径，常用取值为地球平均半径，常用取值6378km；vr为卫星到地心的瞬时距离，为卫星到地心的瞬时距离，r取值最大点称取值最大点称为远地点，为远地点，r取值最小的点称为近地点。取值最小的点称为近地点。v 是卫星是卫星地心连线与地心近地点连线的夹角，地心连线与地心近地点连线的夹角，是卫星在轨道面内相对于近地点的相位偏移是卫星在轨道面内相对于近地点的相位偏移量。量。7v为了描述轨道特性，使用如下参量
4、为了描述轨道特性，使用如下参量v偏心率偏心率e：椭圆焦点离开椭圆中心的比例，即：椭圆焦点离开椭圆中心的比例，即椭圆焦距和长轴长度的比值。它决定了椭圆椭圆焦距和长轴长度的比值。它决定了椭圆轨道的扁平程度。轨道的扁平程度。222)/(1ababaacee越大，轨道越扁，越大，轨道越扁，0 e1e=0时，卫星轨道即为圆轨道时，卫星轨道即为圆轨道8v近地点近地点：卫星离地球最近的点，长度为：卫星离地球最近的点，长度为近地点高度即卫星在近地点时距离地面的高度近地点高度即卫星在近地点时距离地面的高度v远地点远地点：卫星离地球最远的点，长度为：卫星离地球最远的点，长度为远地点高度即卫星在远地点时距离地面的高
5、度远地点高度即卫星在远地点时距离地面的高度)1 (mineacar)1 (maxeacarEBrrhmaxEArrhmin9cos1)1 (2eear)1 (2eaPcos1 ePr定义定义则则10DCBA11v由第二定律可导出卫星在轨道上任意位置由第二定律可导出卫星在轨道上任意位置的瞬时速度为：的瞬时速度为：vv为卫星在轨道上的瞬时速度。其中为卫星在轨道上的瞬时速度。其中a为椭为椭圆轨道的半长轴，圆轨道的半长轴，r为卫星到地心的距离。为卫星到地心的距离。 为开普勒常数，值为为开普勒常数，值为3.986 105 km3/s2。v这说明卫星在轨道上的运行速度是不均匀这说明卫星在轨道上的运行速度是
6、不均匀的。卫星运动的速度在近地点最大，在远的。卫星运动的速度在近地点最大，在远地点最小。地点最小。)/(12skmarv12v对于圆轨道，理论上卫星将具有恒定的瞬时对于圆轨道，理论上卫星将具有恒定的瞬时速度速度v 为开普勒常数，值为为开普勒常数，值为3.986 105 km3/s2。)/(skmrv13)(23saT由此，卫星绕地球飞行的周期由此，卫星绕地球飞行的周期T为为可见，卫星的轨道周期只与半长轴有关，可见，卫星的轨道周期只与半长轴有关，而与偏心率而与偏心率e（即轨道扁平程度）无关。（即轨道扁平程度）无关。14近地点近地点远地点远地点半长轴半长轴半短轴半短轴v例例1 我国第一颗人造地球卫
7、星的近地点高度我国第一颗人造地球卫星的近地点高度hA=439km，远地点高度，远地点高度hB=2384km。试求其。试求其轨道方程。公转周期、远地点和近地点的瞬轨道方程。公转周期、远地点和近地点的瞬时速度时速度v(rmax)和和v(rmin)。已知地球半径。已知地球半径R=6378km。15v解：解：kmRhrA68176378439minkmRhrB876263782384maxkmrra5 .77892minmax125. 06817876268178762minmaxminmaxrrrracekmeaP7669)125. 01 (8762)1 (2kmrcos125. 017769)(轨
8、道方程轨道方程kmrrc19452minmax16公转周期公转周期min114684310986. 35 .778922533saTskmarrv/31. 612)(maxmax远地点瞬时速度远地点瞬时速度skmarrv/11. 812)(minmin近地点瞬时速度近地点瞬时速度17例例2 已知地球半径已知地球半径R=6378km，静止卫星的周，静止卫星的周期期T=24恒星时恒星时=23h56min4.09s(平均太阳时平均太阳时),求卫星离地面高度求卫星离地面高度h和匀速圆周运动速度和匀速圆周运动速度v。v解：由于静止卫星作匀速圆周运动，解：由于静止卫星作匀速圆周运动，r=a，由开普勒第三定
9、理由开普勒第三定理32aT kmTar421644)86164(10986. 34322532218v瞬时速度恒定为：瞬时速度恒定为：skmrarrv/07. 312)(v由此，卫星离地面高度为由此，卫星离地面高度为kmRrh35786192.1.2 卫星轨道分类卫星轨道分类1、按形状分类、按形状分类v椭圆轨道椭圆轨道偏心率不等于偏心率不等于0的卫星轨道，卫星在轨道的卫星轨道，卫星在轨道上做非匀速运动，适合高纬度地区通信上做非匀速运动，适合高纬度地区通信v圆轨道圆轨道具有相对恒定的运动速度，可以提供较均具有相对恒定的运动速度，可以提供较均匀的覆盖特性，适合均匀覆盖的卫星系统匀的覆盖特性，适合均
10、匀覆盖的卫星系统202、按倾角分类、按倾角分类v卫星轨道平面与赤道平面的夹角，称为卫星卫星轨道平面与赤道平面的夹角，称为卫星轨道平面的倾角，记为轨道平面的倾角，记为i。赤道轨道。赤道轨道。i=0 ，轨道面与赤道面重合；，轨道面与赤道面重合；静止通信卫星就位于此轨道平面内。静止通信卫星就位于此轨道平面内。极地轨道。极地轨道。i=90 ，轨道面穿过地球南北极。，轨道面穿过地球南北极。倾斜轨道。轨道面倾斜于赤道。根据卫星倾斜轨道。轨道面倾斜于赤道。根据卫星运动方向和地球自转方向的差别分为运动方向和地球自转方向的差别分为v顺行倾斜轨道，顺行倾斜轨道，0 i90 v逆行倾斜轨道，逆行倾斜轨道，90 i1
11、80 21静止静止轨道轨道顺行倾斜轨道顺行倾斜轨道逆行倾斜轨道逆行倾斜轨道22(a) 赤道轨道赤道轨道(b) 极地轨道极地轨道(c) 顺行倾斜轨道顺行倾斜轨道(d) 逆行倾斜轨道逆行倾斜轨道233、按高度分类、按高度分类v根据卫星运行轨道距离地面的高度根据卫星运行轨道距离地面的高度h，可分，可分为为低轨道低轨道 (LEO)：500h2000km中轨道中轨道 (MEO)：8000kmh20000km，椭圆轨道，椭圆轨道，远地点可达远地点可达40000km24高椭圆轨道高椭圆轨道HEO25v太阳日和恒星日的概太阳日和恒星日的概念念v太阳日：以太阳为参太阳日：以太阳为参考方向时，地球自转考方向时，地
12、球自转一圈所用的时间，长一圈所用的时间，长度为度为24小时小时v恒星日：以无穷远处恒星日：以无穷远处的恒星为参考方向时，的恒星为参考方向时，地球自转一圈所用的地球自转一圈所用的时间，长度小于太阳时间，长度小于太阳日长度，为日长度，为23小时小时56分分04秒秒264、按轨道周期分类、按轨道周期分类v由于地球的自转特性，卫星绕地球旋转一由于地球的自转特性，卫星绕地球旋转一圈后，不一定会重复前一圈的轨迹，因此圈后，不一定会重复前一圈的轨迹，因此可以根据星下点轨迹的重复特性对卫星轨可以根据星下点轨迹的重复特性对卫星轨道分类道分类回归回归/准回归轨道准回归轨道v卫星的星下点轨迹在卫星的星下点轨迹在M个
13、恒星日，绕个恒星日，绕地球旋转地球旋转N圈后重复的轨道圈后重复的轨道vM,N为整数，为整数，M=1为回归轨道，为回归轨道，M1为准回归轨道。为准回归轨道。v轨道周期为轨道周期为M/N恒星日恒星日非回归轨道非回归轨道27同步轨道卫星和静止轨道卫星同步轨道卫星和静止轨道卫星v卫星运行的方向和地球自转的方向相同，运行周期卫星运行的方向和地球自转的方向相同，运行周期与地球自转周期（与地球自转周期（23小时小时56分分4秒，即秒，即1恒星日）相恒星日）相同的轨道称为地球同步卫星轨道（简称同步轨道）。同的轨道称为地球同步卫星轨道（简称同步轨道）。v而在无数条同步轨道中，有一条圆形轨道，它的轨而在无数条同步
14、轨道中，有一条圆形轨道，它的轨道平面与道平面与 地球赤道平面重合，倾角为地球赤道平面重合，倾角为0 ，这条轨道这条轨道就称为地球静止卫星轨道，高度大约是就称为地球静止卫星轨道，高度大约是35786公里。公里。在这个轨道上的所有卫星，从地面上看都像是悬在在这个轨道上的所有卫星，从地面上看都像是悬在赤道上空静止不动，这样的卫星称为地球静止轨道赤道上空静止不动，这样的卫星称为地球静止轨道卫星，简称静止卫星。人们通常简称的同步轨道卫卫星，简称静止卫星。人们通常简称的同步轨道卫星一般指的是静止卫星。星一般指的是静止卫星。 28卫星通信示意图卫星通信示意图29v三颗静止卫星就可基本覆盖全球，其应用较三颗静
15、止卫星就可基本覆盖全球，其应用较为广泛，但地球上空的静止轨道只有一条，为广泛，但地球上空的静止轨道只有一条，轨道资源较为紧张。因此，国际电信联盟轨道资源较为紧张。因此，国际电信联盟(ITU)鼓励采用对地倾斜同步轨道鼓励采用对地倾斜同步轨道(IGSO)。v例如，我国北斗二代卫星导航系统同时采用例如，我国北斗二代卫星导航系统同时采用了了5颗相隔颗相隔60的地球静止轨道卫星的地球静止轨道卫星 和和3颗倾颗倾斜地球同步轨道卫星斜地球同步轨道卫星 ( IGSO星星 )及分布在及分布在3个个轨道面内轨道面内24颗倾角为颗倾角为 55的中高度圆轨道卫的中高度圆轨道卫星星(MEO卫星卫星)。30静止卫星通信的
16、优缺点静止卫星通信的优缺点v优点：优点：v除卫星通信的一般优点（如通信距离远，覆除卫星通信的一般优点（如通信距离远，覆盖面积大等）之外，静止卫星通信的一个突盖面积大等）之外，静止卫星通信的一个突出优点就是，出优点就是，地球站不需要复杂的跟踪系统地球站不需要复杂的跟踪系统即可对准卫星即可对准卫星。31v缺点：缺点：保密性较差；保密性较差；时延长；时延长；静止卫星的发射与控制技术比较复杂，运静止卫星的发射与控制技术比较复杂，运营成本高；营成本高；地球的两极地区为通信盲区，而且地球的地球的两极地区为通信盲区，而且地球的高纬度地区通信效果较差；高纬度地区通信效果较差；地球的静止轨道只有一条，因此轨道上
17、所地球的静止轨道只有一条，因此轨道上所能容纳的静止卫星数目有限。能容纳的静止卫星数目有限。32低轨道卫星通信的优缺点低轨道卫星通信的优缺点v优点优点 ：由于卫星高度低，信号衰减小，时延小；由于卫星高度低，信号衰减小，时延小；卫星重量轻，结构简单；卫星重量轻，结构简单；将卫星均匀地排布在整个地球的周围，即将卫星均匀地排布在整个地球的周围，即使是在南北极，也能使用低轨道卫星进行使是在南北极，也能使用低轨道卫星进行通信，这是静止卫星通信的盲区。通信，这是静止卫星通信的盲区。33v缺点：缺点：覆盖整个地球需要大量卫星，系统复杂；覆盖整个地球需要大量卫星，系统复杂；卫星数量多，寿命短，运行期间要及时补卫
18、星数量多，寿命短，运行期间要及时补充发射替代或备用卫星，系统投资较高。充发射替代或备用卫星，系统投资较高。342.2 卫星的定位卫星的定位v卫星对地球的定位卫星对地球的定位星下点轨迹星下点轨迹v星下点：卫星与地心连线和地球表面的交点。星下点：卫星与地心连线和地球表面的交点。v星下点随时间在地球表面上的变化路径称为星下点随时间在地球表面上的变化路径称为星下点轨迹。星下点轨迹。353637v星下点位于卫星的垂直下方，由此赤道上空星下点位于卫星的垂直下方，由此赤道上空的卫星其星下点就在赤道上。的卫星其星下点就在赤道上。v因此，对于静止轨道卫星其星下点轨迹就是因此，对于静止轨道卫星其星下点轨迹就是赤道
19、上的一个点，由此可用星下点来表示其赤道上的一个点，由此可用星下点来表示其在轨道上的位置（用经度来表示），例如在轨道上的位置（用经度来表示），例如“中星中星9号号”92.2E“鑫诺三号鑫诺三号”125.0E INTELSAT 14 45.0W38v倾斜地球同步轨道卫星倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)具有与静止轨具有与静止轨道道(GEO)相同的轨道高度，因此具有与地球相同的轨道高度，因此具有与地球自转周期相同的轨道周期，但由于轨道倾角自转周期相同的轨道周期，但由于轨道倾角大于大于 0，其星下点轨迹在地面就不是一个，其星下点轨迹在地面就不是一个点，而是以赤道为对称轴的点，而是以赤道为对称轴的“8”
20、字形，轨道字形，轨道倾角越大，倾角越大，“8” 字形的区域也越大。字形的区域也越大。v采用采用 IGSO能充分利用能充分利用 GEO的优点，同时克的优点，同时克服了其高纬度区始终是低仰角的问题。服了其高纬度区始终是低仰角的问题。392.3 卫星覆盖特性计算卫星覆盖特性计算v对于单颗卫星而言，对于单颗卫星而言， “卫星覆盖面积卫星覆盖面积”就就是指卫星上发出的无线电信号可以在直线距是指卫星上发出的无线电信号可以在直线距离上传播而不需要经过反射、转播而被接收离上传播而不需要经过反射、转播而被接收到的范围，也就是说在地面如果可以直接从到的范围，也就是说在地面如果可以直接从卫星上接收信号的地方，就是在
21、此卫星的信卫星上接收信号的地方，就是在此卫星的信号号“覆盖面积覆盖面积”之内。之内。 40卫星全球波束覆盖特性示意图卫星全球波束覆盖特性示意图X41v e是观察点对卫星的仰角，以观察点的地平是观察点对卫星的仰角，以观察点的地平线为参考，可取值范围为线为参考，可取值范围为-90 , 90 。v 是卫星和观察点间的地心角，可取值范围为是卫星和观察点间的地心角，可取值范围为0 , 180 。v 是卫星的半视角是卫星的半视角(或半俯角或半俯角)，可取值范围为，可取值范围为0 , 90 。vd是卫星到观察点的距离。是卫星到观察点的距离。vX是卫星覆盖区的半径。是卫星覆盖区的半径。vrE是地球平均半径，常
22、用取值是地球平均半径，常用取值6378km。vh是卫星轨道高度。是卫星轨道高度。42v卫星和观察点间的地心角卫星和观察点间的地心角sinarcsincosarccosEEeeEErrhrhrv卫星的半视角卫星的半视角v观察点的仰角观察点的仰角cos)(sinarctancosarcsinEEEeEErrhrrhrsinarccossin)(cos)(arctanEEEEEerrhrhrrh43v站星距站星距(星地距离星地距离)：观察点与卫星间的距离：观察点与卫星间的距离eEEeEEEEErhrhrrhrrhrdsin2sincos)(2)(22222v覆盖区半径覆盖区半径v覆盖区面积覆盖区面积
23、sinErX)cos1 (22ErA44v e是地球站对卫星的仰角，理论上来说，可是地球站对卫星的仰角，理论上来说，可取值范围为取值范围为0 , 90 ，实际上，当地球站天，实际上，当地球站天线对卫星的仰角接近线对卫星的仰角接近0 时，因为仰角过低，时，因为仰角过低，受地形、地物及地面噪声的影响，不能进行受地形、地物及地面噪声的影响，不能进行有效的通信。因此对于卫星通信系统，有个有效的通信。因此对于卫星通信系统，有个最小仰角最小仰角 e的给定指标，低于此仰角区域不的给定指标，低于此仰角区域不能通信。例如，能通信。例如，INTELSAT规定地球站天线规定地球站天线的工作仰角不得小于的工作仰角不得
24、小于5 。v最小仰角最小仰角 e是系统的一个给定指标。根据最是系统的一个给定指标。根据最小仰角小仰角 e和卫星轨道高度和卫星轨道高度h即可计算卫星的覆即可计算卫星的覆盖情况。盖情况。45v例例3：已知静止卫星的最小仰角：已知静止卫星的最小仰角 e=10 ，计算，计算卫星的最大覆盖地心角、半视角、最大星地卫星的最大覆盖地心角、半视角、最大星地传输距离、覆盖区面积和最大单程传输时延。传输距离、覆盖区面积和最大单程传输时延。v解：已知最小仰角解：已知最小仰角10e轨道高度轨道高度kmh35786由此，卫星的最大覆盖地心角由此，卫星的最大覆盖地心角eeEErhrcosarccos地球平均半径地球平均半
25、径kmrE63787146卫星的半视角卫星的半视角eEErhrcosarcsin5 . 8最大星地距离最大星地距离eEEeErhrhrdsin2sin222km40586光速光速C=3 108m/s=3 105km/s，最大单程传，最大单程传输时延输时延sCd27. 0247覆盖区半径覆盖区半径覆盖区面积覆盖区面积kmrXE6030sin282107 . 1)cos1 (2kmrAE覆盖区面积占全球面积的比例覆盖区面积占全球面积的比例%3242ErA48v例例4：已知某卫星的轨道高度为：已知某卫星的轨道高度为1450km，系，系统允许的最小接入仰角为统允许的最小接入仰角为10 ，试计算该卫星，
26、试计算该卫星能够提供的最长连续服务时间。能够提供的最长连续服务时间。v解：随着卫星运动，观察点的仰角经历了从解：随着卫星运动，观察点的仰角经历了从最小接入值增大到最大值最小接入值增大到最大值90 （卫星恰好通过（卫星恰好通过用户上空），再减小到最小接入值的过程。用户上空），再减小到最小接入值的过程。该过程中卫星能够提供连续服务。此期间卫该过程中卫星能够提供连续服务。此期间卫星运动扫过的地心角为星运动扫过的地心角为2 max64.26cosarccosmaxeeEErhr49v根据开普勒定理，卫星绕地球做匀速圆周运根据开普勒定理，卫星绕地球做匀速圆周运动，运动周期为动，运动周期为v卫星能够提供的
27、最长连续服务时间，即卫星卫星能够提供的最长连续服务时间，即卫星运动扫过运动扫过2 max的时间的时间srhaTE7 .6892)(2233min1710203602maxmaxsTt50)cos()cos()cos()sin()sin(arccos212121v更多时候，观察点和卫星的地理位置使用更多时候，观察点和卫星的地理位置使用经纬度坐标的形式给出。经纬度坐标的形式给出。v以以( 1, 1)表示观察点的经纬度，表示观察点的经纬度， ( 2, 2)表表示卫星的星下点的瞬时经纬度，则两者所示卫星的星下点的瞬时经纬度，则两者所夹地心角夹地心角)cos()cos()cos()cos()cos()s
28、in()sin(arccos211212121v对静止卫星，对静止卫星， 星下点纬度星下点纬度 2=0，则，则51方位角、仰角和站星距的计算方位角、仰角和站星距的计算v在地球站的调测、开通和使用过程中，都要在地球站的调测、开通和使用过程中，都要知道地球站天线工作时的方位角、仰角，此知道地球站天线工作时的方位角、仰角，此外，为了计算信号的传输损耗，还必须知道外，为了计算信号的传输损耗，还必须知道地球站和卫星的距离，即站星距。地球站和卫星的距离，即站星距。v对静止卫星，对静止卫星，地球站的经度和纬度分别为地球站的经度和纬度分别为 1和和 1，静止卫星星下点的经度和纬度分别为，静止卫星星下点的经度和
29、纬度分别为 2和和0，站星距站星距)()cos(cos302. 0023. 142238121kmd52静止卫星观察参数图解静止卫星观察参数图解53v仰角：天线轴线与水平面之间的夹角。仰角：天线轴线与水平面之间的夹角。2121121)cos(cos115127. 0)cos(cosarctane54v方位角：从正北方起，依顺时针方向至目标方位角：从正北方起，依顺时针方向至目标方向线的水平夹角，取值范围为方向线的水平夹角，取值范围为0 , 360 。由由静止卫星观察静止卫星观察参数图解参数图解可得可得112sin)tan(arctana55v利用上式求出的角度利用上式求出的角度 a是以正南方向为
30、基准是以正南方向为基准推出的，方位角是以正北方为基准，因此推出的，方位角是以正北方为基准，因此若地球站位于北半球若地球站位于北半球)(180)(180卫星位于地球站西侧卫星位于地球站东侧方位角aa若地球站位于南半球若地球站位于南半球)(360)(卫星位于地球站西侧卫星位于地球站东侧方位角aa56v例例5：“鑫诺三号鑫诺三号”卫星位于卫星位于125 E(东经东经)，成都地球站位于东经成都地球站位于东经104 , 北纬北纬31 ，求该地，求该地球站接收鑫诺三号卫星信号的方位角、仰角。球站接收鑫诺三号卫星信号的方位角、仰角。解：仰角解：仰角6 .47)cos(cos115127. 0)cos(cos
31、arctan2121121e方位角为方位角为180 - a=143.3 ，也可表示为，也可表示为“南南偏东偏东36.7 ”7 .36sin)tan(arctan112a57通信卫星的覆盖图通信卫星的覆盖图v上面我们分析的是全球波束均匀覆盖情况，上面我们分析的是全球波束均匀覆盖情况，实际应用中，由于地形环境、以及实际需求实际应用中，由于地形环境、以及实际需求的影响，很多时候并不是全球波束均匀覆盖。的影响，很多时候并不是全球波束均匀覆盖。v通常通信卫星的发射覆盖区域用卫星的有效通常通信卫星的发射覆盖区域用卫星的有效全向辐射功率全向辐射功率(EIRP)等值线图来表示。等值线图来表示。EIRP表示卫星
32、辐射能力的物理量，单位表示卫星辐射能力的物理量，单位dBW。v例：下图给出了例：下图给出了“中星中星6B”卫星卫星(115.5E)的的EIRP等值线图，单位等值线图，单位dBW。5859几种常见波束覆盖几种常见波束覆盖区域示意图区域示意图602.4 卫星轨道摄动卫星轨道摄动v前面关于卫星轨道的分析和推导都基于假设前面关于卫星轨道的分析和推导都基于假设卫星仅仅受地球引力场的作用；卫星仅仅受地球引力场的作用；卫星被视为点质量物体；卫星被视为点质量物体；地球是一个理想的球体。地球是一个理想的球体。v但以上假设在实际中都得不到满足，由于一但以上假设在实际中都得不到满足，由于一些因素的影响，卫星运动的实
33、际轨道不断发些因素的影响，卫星运动的实际轨道不断发生不同程度地偏离开普勒定律所确定的理想生不同程度地偏离开普勒定律所确定的理想轨道的现象，称为摄动。轨道的现象，称为摄动。61v引起人造地球卫星轨道摄动的常见因素如下引起人造地球卫星轨道摄动的常见因素如下太阳、月亮引力的影响太阳、月亮引力的影响地球引力场不均匀的影响地球引力场不均匀的影响地球大气层阻力的影响地球大气层阻力的影响太阳辐射压力的影响太阳辐射压力的影响v为了抵消摄动带来的影响，卫星在其生存周为了抵消摄动带来的影响，卫星在其生存周期内需要进行周期性的轨道保持和姿态调整。期内需要进行周期性的轨道保持和姿态调整。62卫星的位置保持卫星的位置保
34、持v摄动对静止卫星定点位置的保持非常不利，摄动对静止卫星定点位置的保持非常不利，为了克服摄动的影响，静止卫星系统中必须为了克服摄动的影响，静止卫星系统中必须采用位置保持技术，通常是通过点燃星上的采用位置保持技术，通常是通过点燃星上的小推进器（利用喷气燃料）来校正卫星位置。小推进器（利用喷气燃料）来校正卫星位置。63卫星姿态控制卫星姿态控制v卫星有自己的特定任务，在飞行时对它的飞卫星有自己的特定任务，在飞行时对它的飞行姿态都有一定的要求。比如，通信卫星需行姿态都有一定的要求。比如，通信卫星需要天线始终对准地面，对地观测卫星需要观要天线始终对准地面，对地观测卫星需要观测仪器窗口始终对准地面。测仪器
35、窗口始终对准地面。v卫星在失重环境下飞行，如果不对它进行姿卫星在失重环境下飞行，如果不对它进行姿态控制的话，就会乱翻筋斗，不能正常完成态控制的话，就会乱翻筋斗，不能正常完成任务。任务。64v卫星的姿态控制有自旋稳定、重力梯度稳定、卫星的姿态控制有自旋稳定、重力梯度稳定、磁力稳定、三轴稳定等多种，常用的是自旋磁力稳定、三轴稳定等多种，常用的是自旋和三轴稳定。和三轴稳定。v自旋稳定法自旋稳定法早期静止卫星常用的姿态控制方法，通过早期静止卫星常用的姿态控制方法，通过卫星围绕自身对称轴不停旋转而使卫星姿卫星围绕自身对称轴不停旋转而使卫星姿态保持稳定的方法。态保持稳定的方法。自旋稳定法实现容易，成本低，
36、但对卫星自旋稳定法实现容易，成本低，但对卫星外形上要求较严格，指向精度也较低。外形上要求较严格，指向精度也较低。65自旋稳定卫星自旋稳定卫星6667v三轴稳定法三轴稳定法卫星的姿态是由稳定穿过卫星重心的三个轴来保卫星的姿态是由稳定穿过卫星重心的三个轴来保证的。这三个轴分别在卫星轨道的切线、法线和证的。这三个轴分别在卫星轨道的切线、法线和轨道平面的垂线等三个方向上，分别对应叫做滚轨道平面的垂线等三个方向上，分别对应叫做滚动轴、俯仰轴和偏航轴动轴、俯仰轴和偏航轴星体本身不自转，而是依靠卫星上一些气体喷嘴、星体本身不自转，而是依靠卫星上一些气体喷嘴、反作用轮及一些姿态感应元件，使卫星在三个轴反作用轮
37、及一些姿态感应元件，使卫星在三个轴方向上维持稳定的取向。方向上维持稳定的取向。三轴稳定法突破了外形的限制，且星体不旋转，三轴稳定法突破了外形的限制，且星体不旋转，设计伸缩性强，可以安装大型附件，指向精度、设计伸缩性强，可以安装大型附件，指向精度、稳定度比较高。但由于一面始终向阳，容易受热稳定度比较高。但由于一面始终向阳，容易受热不均。不均。68三轴稳定法示意图三轴稳定法示意图69三轴稳定卫星三轴稳定卫星702.5 轨道特性对通信系统性能的影响轨道特性对通信系统性能的影响2.5.1 多普勒频移多普勒频移v多普勒效应：波在波多普勒效应：波在波源移向观察者时频率源移向观察者时频率变高，而在波源远离变
38、高，而在波源远离观察者时频率变低。观察者时频率变低。v对应的，在无线通信对应的，在无线通信领域普遍存在多普勒领域普遍存在多普勒频移的问题。频移的问题。71v多普勒频移：当无线通信收发设备间存在相多普勒频移：当无线通信收发设备间存在相对运动时，接收端接收信号的频率与发送端对运动时，接收端接收信号的频率与发送端发送信号的频率间会存在差异。发送信号的频率间会存在差异。v多普勒频移的大小多普勒频移的大小 f与为收发设备间的径向与为收发设备间的径向速度速度VT，波长波长 ，发送信号，发送信号频率频率fT有关有关其中其中c为光速为光速VT0，收发端靠近，频偏为正，收发端靠近，频偏为正VT0，收发端远离，频
39、偏为负，收发端远离，频偏为负TTTVcfVfVT发送端发送端接收端接收端72v例：飞机沿赤道相对地面以速度例：飞机沿赤道相对地面以速度vD水平飞行，水平飞行， 此时接收波长为此时接收波长为 的的静止卫星静止卫星(GEO)信号，信号，仰角为仰角为 e，求多普勒频移，求多普勒频移 f ？eDvfcos73v例例6：某圆轨道卫星的轨道高度为：某圆轨道卫星的轨道高度为1450km。假设接收机位于轨道平面内，系统标称工作假设接收机位于轨道平面内，系统标称工作频率为频率为2.5GHz，试求卫星位于接收机所在，试求卫星位于接收机所在水平面时，接收端的多普勒频移。如果系统水平面时，接收端的多普勒频移。如果系统
40、工作频率为工作频率为20GHz，同样条件下的多普勒频，同样条件下的多普勒频移有多大？移有多大？v解：绘图解：绘图74卫星瞬时速度由开普勒第二定律可得卫星瞬时速度由开普勒第二定律可得)/(136. 71450637810986. 35skmhrrVE）（)/(814. 5145063786378136. 7cosskmVVT卫星与接收机间的径向速度卫星与接收机间的径向速度VT)(6 .387kHzcfVfTT工作频率工作频率2.5GHz时时)(45.48kHzcfVfTT工作频率工作频率20GHz时时75v对于静止轨道卫星通信，产生多普勒频移主对于静止轨道卫星通信，产生多普勒频移主要是因为用户终
41、端的运动。要是因为用户终端的运动。v对于非静止轨道卫星通信，多普勒频移主要对于非静止轨道卫星通信，多普勒频移主要取决于卫星相对与地面目标的快速移动。因取决于卫星相对与地面目标的快速移动。因此，多普勒频移对低轨卫星系统影响较大。此，多普勒频移对低轨卫星系统影响较大。v下面列出了下面列出了GEO、MEO和和LEO卫星系统在卫星系统在C波段时的最大多普勒频移典型值。波段时的最大多普勒频移典型值。轨道类型轨道类型GEOMEOLEO多普勒频移多普勒频移(KHz) 1 100 200切换时多普勒跳变值切换时多普勒跳变值(KHz)无无200400762.5.2 日蚀日蚀v卫星与太阳间的直视路径被地球遮挡的现
42、象卫星与太阳间的直视路径被地球遮挡的现象称为卫星的称为卫星的日蚀日蚀，也称星蚀。，也称星蚀。v对静止轨道卫星而言，日蚀发生在每年春分对静止轨道卫星而言，日蚀发生在每年春分和秋分前后各和秋分前后各23天的午夜。此时卫星、地球天的午夜。此时卫星、地球和太阳处于一条直线上，地球挡住了阳光对和太阳处于一条直线上，地球挡住了阳光对卫星的照射，卫星进入地球的阴影区。每天卫星的照射，卫星进入地球的阴影区。每天发生星蚀的持续时间不等，最长发生星蚀的持续时间不等，最长72分钟。分钟。v发生星蚀期间，卫星只能靠星载蓄电池来供发生星蚀期间，卫星只能靠星载蓄电池来供给能源。给能源。77静止卫星发生日蚀的示意图静止卫星
43、发生日蚀的示意图对静止卫星，日蚀对静止卫星，日蚀发生在什么时候？发生在什么时候？78792.5.3 日凌中断日凌中断v春分和秋分期间，卫星不仅通过地球的阴影春分和秋分期间，卫星不仅通过地球的阴影部分，也穿越地球和太阳间的直射区域。部分，也穿越地球和太阳间的直射区域。v这时地球站天线对准卫星的同时也就对准太这时地球站天线对准卫星的同时也就对准太阳，强大的太阳噪声进入地球站将造成通信阳，强大的太阳噪声进入地球站将造成通信中断中断日凌中断日凌中断v日凌中断每年在春分和秋分前后发生。每天日凌中断每年在春分和秋分前后发生。每天日凌中断的最长时间与地球站的天线口径、日凌中断的最长时间与地球站的天线口径、工
44、作频率有关。工作频率有关。80静止卫星发生日凌中断的示意图静止卫星发生日凌中断的示意图81练习练习v试计算下列圆形轨道卫星系统的在轨速度试计算下列圆形轨道卫星系统的在轨速度V和轨道周期和轨道周期T铱系统铱系统(Iridium)：卫星轨道高度为：卫星轨道高度为780km全球星系统全球星系统(Globalstar)：卫星轨道高度：卫星轨道高度为为1414km全球定位系统全球定位系统(GPS)：卫星轨道高度为：卫星轨道高度为20200km中星中星6B直播卫星系统：卫星轨道高度为直播卫星系统：卫星轨道高度为35786km82习题习题1. 对于围绕地球的卫星轨道，轨道的偏心率为对于围绕地球的卫星轨道，轨
45、道的偏心率为0.15，长半轴为，长半轴为9000km。确定。确定(a)轨道周期；轨道周期；(b)远地点高度；远地点高度；(c)近地点高度。假设平均近地点高度。假设平均地球半径为地球半径为6378km。2. 设某赤道轨道卫星的远地点高度为设某赤道轨道卫星的远地点高度为35795km，近地点高度为近地点高度为35779km。假设地球的赤道半。假设地球的赤道半径为径为6378km，计算该卫星轨道的长半轴和，计算该卫星轨道的长半轴和偏心率。偏心率。833. 全球星系统的卫星轨道高度为全球星系统的卫星轨道高度为1414km，在，在最小仰角为最小仰角为10 时，求单颗卫星的最大覆盖时，求单颗卫星的最大覆盖地心角，以及覆盖区面积和卫星天线的半地心角，以及覆盖区面积和卫星天线的半视角。视角。4. 某地面观察点位置为某地面观察点位置为(120 E, 45 N)，卫星，卫星的瞬时位置为的瞬时位置为(105 E, 25 N)，轨道高度为，轨道高度为2000km，计算该时刻地面观察点对卫星的，计算该时刻地面观察点对卫星的仰角。仰角。5. 铱系统铱系统卫星的轨道高度为卫星的轨道高度为780km，在最小，在最小仰角为仰角为10 时，试计算单颗系统卫星能够提时，试计算单颗系统卫星能够提供的最长连续服务时间。供的最长连续服务时间。