第2章 卫星运动轨道和通信卫星组成ppt课件.ppt

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1、第2章卫星运动轨道和通信卫星组成卫星通信2021/9/61哈尔滨工业大学(威海)通信工程系卫星运动轨道Note:2021/9/62哈尔滨工业大学(威海)通信工程系图2-1不同高度﹑不同倾斜角轨道平面上通信卫星的运动2021/9/63哈尔滨工业大学(威海)通信工程系GEO、HEO系统概念2021/9/64哈尔滨工业大学(威海)通信工程系广泛采用静止轨道的原因大大地降低了建站所需的成本多普勒频移小当地球站天线采用最小仰角为50时，静止卫星可以覆盖几乎38%的地球表面。2021/9/65哈尔滨工业大学(威海)通信工程系LEO系统概念GEO卫星用于移动通信的主要缺点是长的信号传播时延。为了克

2、服这个缺点，可以使用低轨道卫星。LEO轨道高度：700~1500km2021/9/66哈尔滨工业大学(威海)通信工程系MEO系统概念LEO和GEO之间的折衷是中地球轨道（MEO）卫星，具有的高度H约在10000km左右，可以用10-15颗卫星达到全球覆盖。2021/9/67哈尔滨工业大学(威海)通信工程系2021/9/68哈尔滨工业大学(威海)通信工程系2.1卫星运动特性围绕地球飞行的卫星和航天器服从与行星绕太阳飞行的运动规律约翰尼斯·开普勒(1571-1630)通过观察推导了行星运动的3大定理，即开普勒3定理艾萨克·牛顿爵士(1642-1727)从力学原理出发证明了开普勒定理并创立

3、了万有引力理论开普勒定理适用于空间任何两个物体间通过引力相互作用的情况，即二体问题（two-bodyproblem）2021/9/69哈尔滨工业大学(威海)通信工程系2.1卫星运动特性续1开普勒第一定理(1602)：行星（卫星）绕太阳（地球）飞行的轨道是一个椭圆，且太阳（地球）位于椭圆的一个焦点上2021/9/610哈尔滨工业大学(威海)通信工程系2.1卫星运动特性续2参数定义半长轴semi-majoraxisa半短轴semi-minoraxisb偏心率eccentricity远地点半径apogeeradiusra=a(1+e)近地点半径perigeeradiusrp=a(

4、1-e)半焦弦semi-latusrectump=a(1–e2)解三角形得到真近点角trueanomaly位置矢量positionvector余弦定理2021/9/611哈尔滨工业大学(威海)通信工程系2.1卫星运动特性续3开普勒第二定理(1605)：行星（卫星）和太阳（地球）之间的连线在相同时间内扫过的面积相同近地点卫星运行速度快于远地点2021/9/612哈尔滨工业大学(威海)通信工程系2.1卫星运动特性续4开普勒第三定理(1618)：行星（卫星）轨道周期的平方正比与椭圆轨道半长轴的立方使用能量守恒定理和开普勒第三定理，可以推导卫星的轨道周期T为其中：a是半长轴，开普勒常数

5、μ=3.9861×105km3/s22021/9/613哈尔滨工业大学(威海)通信工程系2.1卫星运动特性续5椭圆轨道卫星具有时变的在轨飞行速度在远地点和近地点的速度分别为2021/9/614哈尔滨工业大学(威海)通信工程系2.1卫星运动特性续6圆轨道卫星具有恒定的运动速度卫星系统轨道高度(km)在轨速度(km/s)轨道周期（时/分/秒）Intelsat(GEO)357863.074723/56/04.1NewICO(MEO)103554.895405/59/01.0SkyBridge(LEO)14697.127201/55/17.8Iridium(LEO)7807.462401/4

6、0/27.0典型卫星通信系统的轨道高度、卫星速度和轨道周期如下表2021/9/615哈尔滨工业大学(威海)通信工程系2.1卫星运动特性续7例2.1某椭圆轨道卫星的远地点高度为4000km，近地点高度为1000km。假设地球的平均半径为6378.137km，求该卫星的轨道周期T解:根据开普勒第一定理，近地点和远地点之间的距离为2a=2Re+hp+ha=2×6378.137+1000+4000=17756.274km轨道半长轴a=8878.137km最后，根据公式(1)可以计算卫星的轨道周期2021/9/616哈尔滨工业大学(威海)通信工程系2.2卫星的空间定位坐标系统日心(Helio

7、centric)坐标系以太阳的质心为坐标圆点卫星中心(Satellite-centered)坐标系以卫星质心为坐标圆点近焦点(Perifocal)坐标系以靠近近地点的轨道焦点为坐标圆点地心(Geocentric-equatorial)坐标系以地心为坐标圆点2021/9/617哈尔滨工业大学(威海)通信工程系2.2卫星的空间定位续1近焦点(Perifocal)坐标系以轨道平面为基础平面以地心为坐标圆点地心-近地点方向为X轴Z轴垂直于轨道平面XYZ轴构成