名詞簡介
同步軌道計算要素所謂太陽同步軌道是指衛星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向。
由於這種軌道的傾角接近90°,衛星要在極地附近通過,所以又稱它為近極地太陽同步衛星軌道。為保持軌道平面始終與太陽保持固定的取向,在衛星隨地球繞太陽公轉時,軌道平面每天要自西向東作大約1°的轉動。但是若地球是個均勻球體,當地球繞太陽公轉時,軌道平面隨地球作平動,則軌道平面不能保持與太陽有固定的取向。事實上由於地球是個扁橢球體,這種扁橢球體上的各點對衛星的引力不等,使衛星的軌道平面繞地軸朝著與衛星運動相反方向鏇轉,即軌道平面的進動。若選定合適的傾角(大於90°)使衛星軌道平面的進動為1°,正好使軌道平面與太陽始終保持固定的取向。這樣就實現了太陽同步軌道。在這種軌道上的衛星以固定的地方時觀測地球大氣,有較固定的光照條件。對獲取可用的資料、資料的接收、軌道的計算等都十分方便。 如果讓衛星軌道平面在空間的轉動與太陽在空間的視運動一致,則衛星軌道稱為太陽同步軌道。衛星稱為太陽同步衛星。這時太陽視線與衛星軌道平面的夾角不變,當衛星每次飛越某地上空時,太陽都是從同一角度照射該地,
亦即,衛星每次都在同一當地時間經過該地,這對照相偵察衛星、氣象衛星、資源衛星都很有利,因為每次對某地拍攝的照片都是在同一照度下取得的,通過對比,可以獲得更多的信息。軌道平面繞地球自轉軸鏇轉的方向與地球公轉方向相同、鏇轉角速度等於地球公轉的平均角速度(0.9856度/天或360度/年)的人造地球衛星軌道。從太陽同步軌道的半長軸、偏心率和傾角須滿足的數學公式可知,該軌道的傾角大於90°,即為一條逆行軌道。其高不會超過6000千米。太陽光對於這種軌道的軌道面的入射角在一年內的變化最小。此外,在太陽同步軌道上運行的衛星,以相同方向經過同一緯度時的當地時間(地方平太陽時)相同,因此衛星在經過同緯度地區時是有相近的光照條件。大多數利用太陽能電池作為電源或帶有可見光遙感器的長壽命遙感衛星都採用太陽同步軌道。通常還用衛星過降交點時的當地時間作為太陽同步軌道的一個重要參數,稱為降交點地方(平太陽)時。
軌道運行
軌道
太陽同步軌道(有時不正確地叫一條heliosynchronous軌道)是以地球為中心軌道哪些結合高度並且傾向
在這種情況下一個對象在那條軌道通過在任何特定點地球‘s表面在地方的同樣太陽時間.表面照明角度每次幾乎將是同樣。這套一致的照明設備是一個有用的特徵為衛星那圖象地球的表面在可看見或紅外波長(即。天氣、間諜和遙感衛星)。例如,一枚衛星在太陽同步軌道也許每次橫渡赤道十二次每天在近似地15:00當地時間。這由有達到軌道的軌道平面進動(轉動)大約每天一度,向東,到與地球的革命同步在附近太陽。
太陽角度均一通過調整達到自然歲差軌道對每年一個充分的圈子。由於地球轉動,它輕微地是獻身宗教者(赤道比它為完善輕微地長球形)和在進動的傾斜軌道的額外物質近赤道起因太空飛行器:軌道的飛機在空間沒有被固定相對遙遠的星,而是慢慢地轉動關於軸心。歲差的速度取決於軌道的傾向並且衛星的高度;通過平衡這二個作用,匹配歲差率的範圍是可能的。典型的太陽同步軌道是大約600-800公里在高度,以期間在96-100分鐘範圍和傾向大約98°(輕微ie後退與地球的自轉的方向比較:0°代表一條赤道軌道,並且90°代表一條極性軌道)。
變異在軌道的這個類型是可能的;衛星可能有一條高度異常太陽同步軌道,在段落的“固定的太陽時期”為軌道的選上的點情況下只舉行(典型地近地點).選上的軌道周期取決於期望再訪率;衛星在每個段落橫渡赤道在同一太陽時間,但它通常在不同的經度,因為地球在它之下轉動。例如,96分鐘的一個軌道周期,均勻地劃分成地球太陽日(15次)手段衛星在連貫軌道將橫渡在十五不同經度,在同樣地方太陽時間為每個地點,和再開始在第一經度每個第十五個段落,一次每天。
運行要素
軌道平面繞地球自轉軸鏇轉的方向與地球公轉方向相同、鏇轉角速度等於地球公轉的平均角速度(即0.9856度/天或360度/年)的人造地球衛星軌道。太陽同步軌道的半長軸、偏心率和傾角這三個軌道要素須滿足下
式: cosi=-4.7736×10-15(1-e2)2a7/2式中a為軌道半長軸,e為偏心率,i為傾角。由公式可以得知:太陽同步軌道的傾角必須大於90°,即它是一條逆行軌道。在圓軌道時,傾角最大為180°,所以太陽同步軌道的高度不會超過6000公里。
在太陽同步軌道上運行的衛星,以相同方向經過同一緯度的當地時間是相同的。例如衛星由南向北(升段)經過北緯40°上空是當地時間早晨8點,以後升段經過北緯40°都是當地時間早晨8點。由於地球公轉,即使時間相同,不同季節的地面光照條件也有明顯差別。但是在一段不長的日子裡光照條件大致相同。選擇適當的發射時間,可以使衛星經過一些地區時這些地區始終具有比較好的光照條件,並且衛星在這些地區的上空始終處在太陽光的照射下,不會進入地球陰影,這時太陽電池可以充足供電而不會中斷。傾角稍大於90°的太陽同步軌道還兼有極軌道的特點,可以俯瞰整個地球表面。
氣象衛星、地球資源衛星和照相偵察衛星一般都取太陽同步軌道,以使拍攝的地面目標的圖像最好。太陽同步軌道對於軌道的精度要求較高,為了較長時間都能與太陽“同步”,衛星需要設有軌道控制系統,用於修正軌道誤差和不斷克服攝動力影響(見軌道保持)。
太陽同步軌道(有時不正確地叫一條heliosynchronous軌道)是以地球為中心軌道哪些結合高度並且傾向在這種情況下一個對象在那條軌道通過在任何特定點地球‘s表面在地方的同樣太陽時間.表面照明角度每次幾乎將是同樣。這套一致的照明設備是一個有用的特徵為衛星那圖象地球的表面在可看見或紅外波長(即。天氣、間諜和遙感衛星)。例如,一枚衛星在太陽同步軌道也許每次橫渡赤道十二次每天在近似地15:00當地時間。這由有達到軌道的軌道平面進動(轉動)大約每天一度,向東,到與地球的革命同步在附近太陽。
太陽角度均一通過調整達到自然歲差軌道對每年一個充分的圈子。由於地球轉動,它輕微地是獻身宗教者
(赤道比它為完善輕微地長球形)和在進動的傾斜軌道的額外物質近赤道起因太空飛行器:軌道的飛機在空間沒有被固定相對遙遠的星,而是慢慢地轉動關於軸心。歲差的速度取決於軌道的傾向並且衛星的高度;通過平衡這二個作用,匹配歲差率的範圍是可能的。典型的太陽同步軌道是大約600-800公里在高度,以期間在96-100分鐘範圍和傾向大約98°(輕微ie後退與地球的自轉的方向比較:0°代表一條赤道軌道,並且90°代表一條極性軌道)。
變異在軌道的這個類型是可能的;衛星可能有一條高度異常太陽同步軌道,在段落的“固定的太陽時期”為軌道的選上的點情況下只舉行(典型地近地點).選上的軌道周期取決於期望再訪率;衛星在每個段落橫渡赤道在同一太陽時間,但它通常在不同的經度,因為地球在它之下轉動。例如,96分鐘的一個軌道周期,均勻地劃分成地球太陽日(15次)手段衛星在連貫軌道將橫渡在十五不同經度,在同樣地方太陽時間為每個地點,和再開始在第一經度每個第十五個段落,一次每天。
其他相關
技術細節
為一條太陽同步軌道,歲差是後退(即相對於地球的鏇轉方向)為了在地球附近減慢衛星的視運動匹配地球的自轉。歲差率的好略計是:那裡是歲差率(rad/s),是地球的赤道半徑(6.378137毫米),是衛星的軌道半徑,是它的角頻率(2π弧度在它的期間以前劃分了);它的傾向是地球的其次動態形狀因子(1.08×10-3);最後數量與有關過寺院生活如下:是地球的過寺院生活,是地球的自轉率(7.292115×10-5rad/s),是普遍性的產品萬有引力常數並且地球的大量(3.986004418×1014m³/s²;
太陽同步軌道。由於地球扁率(地球不是圓球形,而是在赤道部分隆起),衛星軌道平面繞地球自轉軸鏇轉。如果衛星軌道平面繞地球自轉軸的鏇轉方向和角速度與地球繞太陽公轉的方向和平均角速度相同,則這種衛星軌道叫太陽同步軌道。
特別情況
中午或午夜軌道段落的地方太陽時期為赤道經度是在中午附近或午夜的地方和黎明或黃昏軌道段落的地方
太陽時期為赤道經度是在日出或日落附近的地方,因此衛星之間日夜乘坐終止者。乘坐終止者為主動雷達衛星是有用的,因為衛星的太陽電池板能總看太陽,不用由地球被遮蔽。它為有些衛星也是有用的用需要限制對測量的太陽的影響的被動儀器,因為總指向儀器往地球的夜邊是可能的。黎明或黃昏軌道為太陽觀察的科學衛星使用了例如Yohkoh,蹤影並且Hinode買得起他們星期日的一個幾乎連續的看法。
當衛星的高度增加,如此做必需的傾向,因此軌道的有用性加倍減少:首先,因為(為一枚地球觀察的衛星)衛星的照片從拍攝,並且,因為增長的傾向意味衛星其次不會飛行在更高的緯度。一枚太陽同步衛星設計飛行在大陸美國例如,將需要它的傾向是132°或較少,意味~4600公里或較少的高度。陽同步軌道在其他行星附近是可能的,例如火星。
為一條太陽同步軌道,歲差是後退(即相對於地球的鏇轉方向)為了在地球附近減慢衛星的視運動匹配地球的自轉。歲差率的好略計是:那裡是歲差率(rad/s)、是地球的赤道半徑(6.378137毫米)、是衛星的軌道半徑、是它的角頻率(2π弧度在它的期間以前劃分了)、它的傾向是地球的其次動態形狀因子(1.08×10-3).
最後數量與有關過寺院生活如下:是地球的過寺院生活、是地球的自轉率(7.292115×10-5rad/s)、是普遍性的產品萬有引力常數並且地球的大量(3.986004418×1014m³/s²)
同步衛星
同步衛星簡言之就是與地球自轉同步的人造衛星,即它繞地心鏇轉的速度和地球自轉的速度必須一致,運轉周期與地球自轉的周期必須相同,都為23小時56分4秒。
因此,從地面上看去,與地球同步的同步衛星,好像固定在天上不動一樣。這就如同在一輛快速前進的火車上,由於乘客的運動速度都相同,相互間的位置始終保持不變,處於相對靜止的狀態一樣,所以這種衛星又稱為“靜止衛星”。衛星之所以不會受到地球的引力而墜落下來,是因為它繞地心鏇轉產生的離心力與地球引力相平衡。要獲得這一平衡只有兩個途徑,或者加快運行速度,或者增加鏇轉半徑的距離。而地球同步衛星的運行速度是與地球相同的,因此只能從距離方面著手,使同步衛星達到足夠的高度它才不會墜落。經過計算得出,只有運行在離地面高為35786千米太空的人造衛星,才能與地球同步運行,既不會飛離也不會墜落。因此,人們將35786千米的高空軌道稱為“同步軌道”。
而要將同步衛星發射到同步軌道上,卻是相當困難和複雜的。因為受火箭運載能力的限制和發射場一般不處於赤道上的影響,多數的運載火箭不能將衛星直接送到同步軌道上,必須分為三個階段才能入軌。第一步,運載火箭將衛星送到距地面200---300千米的停泊軌道;第二步,以停泊軌道的環繞速度將衛星加速送到轉移軌道與同步軌道相切處,即轉移軌道的遠地點;第三步,在遠地點上點燃發動機,使衛星進入地球同步軌道,並用衛星上的小發動機調整衛星的姿態,使衛星完全進入同步軌道。
我國的同步衛星技術已處於世界領先位置。1990年,我國“長征”3號火箭首次發射美國休斯公司的“亞洲”1號通信衛星,使衛星的入軌精度居該公司自己生產、發射的32顆同步衛星之首,因而震驚了世界。1992年、1994年,我國的“長征”2號E捆綁式火箭再次發射了該公司的“澳星B1”、“澳星B2”通信衛星,所有入軌參數的精度比契約規定值高出了幾倍甚至幾十倍!
衛星舉例
太陽同步軌道衛星,軌道傾角大於90度且在兩極附近通過,所以也為近極軌衛星,它的軌道面與太陽的取向一致,所以叫太陽同步衛星。每天向東移動0.9856度,這個角度正好是地球繞太陽公轉每天東移的角度。
下面結合當前研究內容,以ODIN衛星為例理解一下:
衛星軌道面與太陽取向一致,則衛星不像地球同步衛星一樣隨地球自轉而轉動,即衛星只有沿軌道方向速度,沒有沿地球自轉方向即自西向東方向鏇轉速度。嚴格地說,還是有自西向東的速度的,因為地球在自西向東公轉,所以衛星要保持軌道面與太陽取向一致,必須有一個與地球公轉一致的角速度,即360度/(365天)=0.9863度/天。
衛星總是在相同的地方時經過同一位置。比如,每天上午10:00經過長春上空,每天下午4:00經過武漢。ODIN衛星周期為96分鐘,而一天是24*60分鐘,所以衛星一天繞地球轉24*60/96=15圈。如此,看來,衛星每天重複一次軌道運行,即只經過長春或武漢一次。這樣,每一圈軌道觀測地球不同的地方,以達到觀測全球的目的,第二天上午10:00又回來觀測長春。其實,這是衛星軌道沒變化,地球自己轉動了,衛星一圈需時96分,地球自轉96/(24*60/360)=24度,地球有360/24=15個24度,於是,衛星在一天繞地球轉15圈。而且,在一個短時期內,一地區太陽照射情況不會有太大變化,所以可以對一個地區相同的太陽照射情況進行多次觀測。
ODIN衛星軌道傾角為97.8度,如圖1所示,春分和秋分時,白天和黑夜分界線與赤道垂直,所以,軌道線北半球在白天,南半球在黑夜,即探測不到太陽輻射;夏至時,更是這樣,而且白天時離太陽更近;冬至時,與夏至相反,衛星經過北半球是黑夜,經過南半球是白天。因為衛星軌道面與太陽取向一致,所以不會出現,同一天或同一段短時期,不會出現一會兒衛星在北半球白天南半球黑夜,一會兒又跑到北半球黑夜南半球白天的現象,必須換季才能出現這樣的情況。當然,當太陽直射南半球的時候,會出現衛星在黑夜和白天分界線的位置上運行,這樣衛星一直探測的是黎明或黃昏的太陽輻射了。
ODIN衛星升交點為18:00,衛星0度時在當地時太陽落山時候,90度時當地為正午,180度時為當地日出時候,270度為午夜,360又為當地太陽下山時。[
計算公式
軌道平面繞地球自轉軸鏇轉的方向與地球的公轉方向相同、鏇轉角速度等於地球公轉的平均角速度(即0.9856°/d或360°/a)的人造地球衛星軌道。太陽同步軌道的半長軸α、偏心率e和傾角¡這3個軌道要素必須滿足以下關係式:
Cosi=-4.7737×10-15(1-e)2a(7/2)
式中a的單位為km。由該式可知,太陽同步軌道的傾角必須大於90°,即它是一條逆行軌道。在圓軌道時,傾角最大為180°,所以太陽同步軌道的高度不會超過6000km。在太陽同步軌道上運行的衛星,從相同的方向經過同一緯度的當地時間是相同的。例如,衛星最初由南向北(升段)經過北緯40°上空是當地時間早晨8點。由於地球公轉,即使地方時相同,不同季節的地面光照條件也有明顯差別。但在一段不長的時間內光照條件可視為大致相同。選擇適當的發射時間,可以使衛星經過一些地區時,這些地區始終有較好的光照條件,這樣衛星在這些地區的上空始終處於太陽光的照射下,不會進入地球陰影,太陽電池可以充足供電而不會中斷。傾角大於90°的太陽同步軌道還兼有極軌道的特點,可以俯瞰整個地球表面。氣象衛星、地球資源衛星一般都選取太陽同步軌道,以使拍攝的地面目標圖像最好。太陽同步軌道的精度要求很高。為了較長時間保持與太陽“同步”,衛星需要配備軌道控制系統,用於修正軌道誤差和不斷克服攝動力的影響。
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