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卫星轨道平面简单认识

目录

一、轨道平面

1.1 轨道根数

1.2 应用考虑

二、分类

2.1 根据运行高度

2.2 根据运行轨迹偏心率

2.3 根据倾角大小

三、卫星星座中的轨道平面

四、设计轨道平面的考虑因素


一、轨道平面

1.1 轨道根数

        轨道平面是定义卫星或其他天体绕行另一天体运动的平面。这个平面通过它们两者的质心,并固定于特定的空间方位。轨道平面的参数和特征决定了卫星的轨道动态和其任务执行的能力。

        轨道根数(Orbital Elements)是描述卫星或其他天体在轨道上位置和运动的一组参数。这些参数不仅对于天文学很重要,也对航天工程和卫星导航系统的设计和操作至关重要。轨道根数共有六个基本参数,每个都有其特定的物理意义和用途:

序号轨道根数描述单位重要性
1半长轴(Semi-major Axis,a)轨道的大小。对于椭圆轨道,半长轴是从轨道中心到轨道最远点的距离。千米 (km)决定了轨道的总体尺寸和卫星的轨道周期。
2偏心率 (Eccentricity,e)轨道的形状。偏心率为0时,轨道是完美的圆形;接近1时,轨道形状趋向于延伸的椭圆。无单位影响卫星在轨道上的速度和位置,特别是在近地点和远地点的表现。
3倾角 (Inclination,i)轨道平面相对于参考平面(通常是地球的赤道平面)的倾斜程度。度 (°)决定了卫星能够覆盖的地球纬度范围。
4升交点赤经 (Right Ascension of Ascending Node,Ω)卫星穿过赤道平面从南向北时的点(升交点)相对于春分点的角度。度 (°)描述了轨道平面相对于地球的方向,影响卫星覆盖的地理区域。
5近地点幅角 (Argument of Perigee,ω)从轨道升交点到近地点(轨道上最接近地球的点)的角度。度 (°)与升交点赤经结合,决定了近地点在轨道上的具体位置。
6真近点角 (True Anomaly,ν)在任意时刻,卫星在轨道上的位置相对于近地点的角度。度 (°)描述卫星在轨道上的实时位置,用于轨道确定和导航。

        这六个轨道根数是描述和计算卫星轨道状态的基础,对于任务规划、轨道设计、卫星发射以及日常运行和维护都是必不可少的信息。通过这些参数,可以精确地知道卫星在任何给定时刻的位置和速度,以及如何随时间变化。

1.2 应用考虑

        设计卫星的轨道平面时,必须综合考虑这些要素以满足特定的任务需求:

  • 通信卫星:可能需要固定或准固定的覆盖区,因此倾向使用低倾角或静止轨道。
  • 地球观测卫星:通常使用高倾角轨道以实现对地球较全面的覆盖,特别是极地区域。
  • 导航卫星:如GPS卫星,采用中等倾角的轨道,确保全球覆盖和信号的稳定性。

        通过精确地控制这些参数,可以优化卫星的轨道设计,确保其能够有效地完成预定任务,如通信、导航、地球监测等。

二、分类

2.1 根据运行高度

轨道类型高度范围轨道周期特点应用
低地球轨道 (LEO)约 160 至 2,000 公里90 至 120 分钟一圈轨道周期短地球观测、科学研究、人员运输(如国际空间站)、部分通信服务
中地球轨道 (MEO)约 2,000 至 35,786 公里2 至 8 小时一圈轨道周期长导航卫星系统(如 GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou)
静止轨道 (GEO)约 35,786 公里等于地球自转周期(24小时)卫星相对地球静止通信卫星、气象卫星
高椭圆轨道 (HEO)不定取决于轨道的具体设计参数轨道具有高偏心率,近地点非常接近地球,远地点远离地球覆盖高纬度地区的通信和监测

2.2 根据运行轨迹偏心率

  • 圆轨(偏心率为0)
  • 近圆轨(偏心率小于0.1)
  • 椭圆轨(偏心率介于0.1-1)

2.3 根据倾角大小

  1. 赤道轨道(倾角为0,轨道平面始终与赤道平面重合)
  2. 极地轨道(倾角为90,轨道平面与赤道平面垂直,观察地球最好)
  3. 近极轨道(接近 90°,通常在 80° 到 95° 之间,能够覆盖全球大部分区域,包括极地,广泛用于全球地球观测卫星和气象卫星,因为能够访问几乎所有地区。)
  4. 倾斜轨道(顺行:倾角0-90,自西向东顺着地球自转、逆行:倾角90-180,自东向西逆着地球自转)

三、卫星星座中的轨道平面

        在设计卫星星座时,轨道平面的配置尤为重要,因为它决定了星座的覆盖能力和性能。例如:

  • Walker星座:使用多个轨道平面,每个平面中都有多颗卫星均匀分布,通过调整倾角、升交点赤经和卫星间的相位差,可以实现全球或大区域的连续覆盖。

  • 静止轨道(Geostationary Orbit, GEO):GEO 卫星都位于一个倾角为0°的轨道平面上,即地球赤道平面。这些卫星的轨道周期与地球自转周期相同,因此它们相对于地球表面是固定不动的,常用于通信和天气监测。

  • 中地球轨道(Medium Earth Orbit, MEO):如GPS卫星系统所使用的,这些卫星位于多个轨道平面上,以保证在任何时间任何位置都有至少四颗卫星可见,从而提供准确的导航服务。

  • 低地球轨道(Low Earth Orbit, LEO):如Iridium通信星座,卫星位于多个倾斜的轨道平面上,这样设计可以提供较高的信号强度和较低的通信延迟。

四、设计轨道平面的考虑因素

        在设计轨道平面时,需要综合考虑多种因素,包括卫星的使命、预期的覆盖区域、成本、发射和运维的复杂性等。轨道平面的选择和设计直接影响到卫星系统的性能和经济效益,因此在卫星系统设计初期,轨道平面的规划是关键步骤之一。

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