第3章轨道设计及选择

1、空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计 空间飞行器总体设计 轨道设计及选择是一个复杂的过程，它涉及许多不同参数间的综合轨道设计及选择是一个复杂的过程，它涉及许多不同参数间的综合权衡。一般来说，轨道决定了空间飞行任务的权衡。一般来说，轨道决定了空间飞行任务的，同时也决定了，同时也决定了的性能。更进一步，必须权衡达到预定轨的性能。更进一步，必须权衡达到预定轨道所需的速度。道所需的速度。 通常在空间飞行任务的寿命期间，航天器有不同的飞行轨道，包括通常在空间飞行任务的寿命期间，航天器有不同的飞行轨道，包括等待轨道等待轨道、转移轨道转移轨道，还可能有最终的，还可能有最终的报废处理轨道报废处理轨道。 在任务

2、设计早期，主要精力是确定航天器的在任务设计早期，主要精力是确定航天器的。但是，飞行。但是，飞行任务的初步设计需要考虑各个飞行阶段的轨道，以满足更复杂的飞行任任务的初步设计需要考虑各个飞行阶段的轨道，以满足更复杂的飞行任务的要求。务的要求。 轨道设计需要清楚地理解轨道选择的依据，并且随着任务要求的改轨道设计需要清楚地理解轨道选择的依据，并且随着任务要求的改变或任务定义的完善定期评审这些依据，不断设计可供选择的方案。这变或任务定义的完善定期评审这些依据，不断设计可供选择的方案。这样，可以产生几种不同的设计方案。样，可以产生几种不同的设计方案。空间飞行器总体设计 人造地球卫星的轨道一般分为发射轨道与

3、运行轨道两部分。人造地球卫星的轨道一般分为发射轨道与运行轨道两部分。对于需要返回的卫星，则在运行轨道之后安排一段返回轨道。对于需要返回的卫星，则在运行轨道之后安排一段返回轨道。（1 1）发射轨道）发射轨道 发射轨道：是指运载火箭第一级点火至卫星入轨的一段轨道。发射轨道：是指运载火箭第一级点火至卫星入轨的一段轨道。 转移轨道：用来将航天器从一个轨道转移到另一轨道。转移转移轨道：用来将航天器从一个轨道转移到另一轨道。转移轨道是连接近地轨道和静止轨道的重要阶段。轨道是连接近地轨道和静止轨道的重要阶段。 等待轨道：这是一种临时轨道，这种轨道为航天器进行各种等待轨道：这是一种临时轨道，这种轨道为航天器进

4、行各种空间操作或在工作寿命末期的检查和贮存提供一个安全而方便空间操作或在工作寿命末期的检查和贮存提供一个安全而方便的场所。这种轨道还可以用来衔接航天器发射后进入转移轨道的场所。这种轨道还可以用来衔接航天器发射后进入转移轨道之前的各个阶段的不同工作状态。之前的各个阶段的不同工作状态。空间飞行器总体设计 运载火箭将卫星和上面级运载火箭将卫星和上面级( (近地点发动机近地点发动机) )送入一个近地轨道；送入一个近地轨道；星箭分离后，近地点发动机将卫星送入大椭圆的转移轨道；最后再由星箭分离后，近地点发动机将卫星送入大椭圆的转移轨道；最后再由星上的远地点发动机工作将卫星送入静止轨道。星上的远地点发动机工

5、作将卫星送入静止轨道。 空间飞行器总体设计F F地心；地心；P P转移轨道近地点；转移轨道近地点；R R地球半径；地球半径；ApAp转移轨道远地点转移轨道远地点 运载火箭先将卫星送入运载火箭先将卫星送入185km185km的圆形轨道，即的圆形轨道，即；卫星在停；卫星在停泊轨道上滑行泊轨道上滑行15min15min到达赤道上空。第三级重新点火，使卫星进入近地到达赤道上空。第三级重新点火，使卫星进入近地点在赤道的椭圆形的点在赤道的椭圆形的。卫星在转移轨道上运行。卫星在转移轨道上运行6.56.5圈，对轨道圈，对轨道和姿态进行精确测定，然后远地点发动机点火将卫星送入周期为和姿态进行精确测定，然后远地点

6、发动机点火将卫星送入周期为2323小小时时1515分钟的分钟的。此后卫星通过一系列轨道修正进入。此后卫星通过一系列轨道修正进入。空间飞行器总体设计 运载火箭将卫星直接送入大椭圆的转移轨道。在大椭圆运载火箭将卫星直接送入大椭圆的转移轨道。在大椭圆的远地点，星上远地点发动机工作将卫星送入静止轨道。如东的远地点，星上远地点发动机工作将卫星送入静止轨道。如东方红方红3 3号卫星由长三甲运载火箭送入近地点高度为号卫星由长三甲运载火箭送入近地点高度为200km200km，远地，远地点高度与静止轨道高度（点高度与静止轨道高度（35786km35786km）相近，倾角为）相近，倾角为28.528.5的大椭的大

7、椭圆转移轨道，然后经过三次在远地点附近的变轨控制，最后将圆转移轨道，然后经过三次在远地点附近的变轨控制，最后将卫星送入静止轨道。卫星送入静止轨道。 由于静止轨道精度要求极高，除了远地点发动机外，星上由于静止轨道精度要求极高，除了远地点发动机外，星上还有小推力器作轨道修正，克服误差，克服卫星漂移。还有小推力器作轨道修正，克服误差，克服卫星漂移。空间飞行器总体设计 （2 2）运行轨道）运行轨道 运行轨道是指卫星入轨后围绕地球运动的轨道。（近地轨道、大运行轨道是指卫星入轨后围绕地球运动的轨道。（近地轨道、大椭圆轨道（太阳同步轨道）、地球同步轨道）。椭圆轨道（太阳同步轨道）、地球同步轨道）。 空间基准

8、轨道空间基准轨道这种运行轨道的主要特征是处于空间某一位置。这种运行轨道的主要特征是处于空间某一位置。例如用于空间采样和观测的拉格朗日点轨道，供天体观察和空间制造例如用于空间采样和观测的拉格朗日点轨道，供天体观察和空间制造用的轨道等。用的轨道等。 地球基准轨道地球基准轨道这是为地球表面或近地空间提供所需覆盖的一这是为地球表面或近地空间提供所需覆盖的一种运行轨道。例如：地球同步轨道卫星，地球资源、气象和通信用的种运行轨道。例如：地球同步轨道卫星，地球资源、气象和通信用的近地轨道卫星。近地轨道卫星。 （3 3）返回轨道）返回轨道 返回轨道是从制动火箭点火到卫星降落地面的一段轨道。返回轨道是从制动火箭

9、点火到卫星降落地面的一段轨道。空间飞行器总体设计 任务要求：任务要求：u轨道的限制条件；轨道的限制条件；u对特定观测所需的轨道高度；对特定观测所需的轨道高度；u任一轨道参数的取值范围等。任一轨道参数的取值范围等。 通常，不同要求会导致选择不同的轨道。权衡的标准是以通常，不同要求会导致选择不同的轨道。权衡的标准是以尽可能少的推进剂来满足飞行任务所要求的限制条件，如寿命、尽可能少的推进剂来满足飞行任务所要求的限制条件，如寿命、热环境和辐射环境等。热环境和辐射环境等。空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计可以最大限度地减少飞行任务的总开销而降低任务可以最大限度地减少飞行任务的总开销而降低任务的成本。的

10、成本。可提供较好的地面覆盖率，存活率也比较高。当失去一可提供较好的地面覆盖率，存活率也比较高。当失去一颗卫星时，该星座仍能安全工作。颗卫星时，该星座仍能安全工作。 通常必须权衡用一颗带有较大、较复杂仪器的大型卫星和由一些较小、通常必须权衡用一颗带有较大、较复杂仪器的大型卫星和由一些较小、较简单的卫星组成的星座之间的优劣。这个决策取决于卫星设计时的技较简单的卫星组成的星座之间的优劣。这个决策取决于卫星设计时的技术水平。术水平。 随着电子装置以及星载处理装置的微型化，使得小型卫星更为现实，随着电子装置以及星载处理装置的微型化，使得小型卫星更为现实，因此可能构造一个由小型、低成本卫星组成的星座。大型

11、星座的另一个因此可能构造一个由小型、低成本卫星组成的星座。大型星座的另一个主要成本要素是与提供连续的导航和控制有关的运行问题。因此，采用主要成本要素是与提供连续的导航和控制有关的运行问题。因此，采用低成本的自主导航和控制也将促进由小型卫星组成的星座的发展。低成本的自主导航和控制也将促进由小型卫星组成的星座的发展。空间飞行器总体设计这一步是通过评价轨道参数给出的每一个任务要求的影响来这一步是通过评价轨道参数给出的每一个任务要求的影响来选择任务轨道。最简单的方法是先假设轨道是圆轨道，然后对轨选择任务轨道。最简单的方法是先假设轨道是圆轨道，然后对轨道高度和轨道倾角进行综合权衡，据此可选取一个或多个候

12、选轨道高度和轨道倾角进行综合权衡，据此可选取一个或多个候选轨道。然后将这些关键的设计权衡结果形成文件，当任务要求和条道。然后将这些关键的设计权衡结果形成文件，当任务要求和条件改变时，可以随时重新审查这些设计权衡是否正确。件改变时，可以随时重新审查这些设计权衡是否正确。空间飞行器总体设计u 运载工具对飞行任务的成本影响很大，并且它最终限制了发运载工具对飞行任务的成本影响很大，并且它最终限制了发射到某一给定高度和偏心率轨道的航天器质量。对新的飞行任务射到某一给定高度和偏心率轨道的航天器质量。对新的飞行任务来说，发射余量的典型值为来说，发射余量的典型值为2020。u 如果航天器在相当长的时间内不再入

13、大气层，则在其使用寿如果航天器在相当长的时间内不再入大气层，则在其使用寿命终结时还必须对它进行处置，使之不危及其它航天器的安全。命终结时还必须对它进行处置，使之不危及其它航天器的安全。u 另一种选择是回收卫星，以便对卫星进行整修后再次使用或另一种选择是回收卫星，以便对卫星进行整修后再次使用或回收某些材料（例如放射性产物），因为这些材料如不加控制就回收某些材料（例如放射性产物），因为这些材料如不加控制就进入大气层，将构成危害。进入大气层，将构成危害。空间飞行器总体设计 任一卫星星座的一个重要特性就是星座发展、补充和降级可任一卫星星座的一个重要特性就是星座发展、补充和降级可靠工作。只有将多颗卫星安

14、置在合适的位置组成一个星座才能靠工作。只有将多颗卫星安置在合适的位置组成一个星座才能正常工作，但这引起了许多有关经济、计划和检测方面的问题。正常工作，但这引起了许多有关经济、计划和检测方面的问题。降级可靠工作的意思是说，如果有一颗卫星失效，剩下的卫星降级可靠工作的意思是说，如果有一颗卫星失效，剩下的卫星仍能以降级模式提供必要的服务，而不会使整个星座失效。仍能以降级模式提供必要的服务，而不会使整个星座失效。空间飞行器总体设计 为了定量评价轨道的代价，必须建立该轨道的为了定量评价轨道的代价，必须建立该轨道的V V预算。然后将预算。然后将V V预预算转换成推进剂预算的主要部分。算转换成推进剂预算的主

15、要部分。空间飞行器总体设计 空间飞行器总体设计 描述轨道的第一步是找到合适的参考坐标系。选取的坐描述轨道的第一步是找到合适的参考坐标系。选取的坐标系不同，则描述轨道的形式和复杂程度就有所不同，直标系不同，则描述轨道的形式和复杂程度就有所不同，直接影响到轨道参数的直观程度和问题求解的难易。接影响到轨道参数的直观程度和问题求解的难易。空间飞行器总体设计sXssXY 1 1）日心黄道坐标系）日心黄道坐标系 坐标系的原点在日心，坐标系的原点在日心， 平面平面( (或称基准平面或称基准平面) )与黄道面一与黄道面一致。黄道面是地球绕太阳运行的平面。黄道面与地球赤道面的交线，致。黄道面是地球绕太阳运行的平

16、面。黄道面与地球赤道面的交线，确定为确定为 轴的方向。在春季的第一天轴的方向。在春季的第一天( (春分点春分点) )，日心和地心连线的指向为，日心和地心连线的指向为轴轴 的正向，此方向称为春分点方向。大家都知道，几个世纪以来，的正向，此方向称为春分点方向。大家都知道，几个世纪以来，地球在缓慢地晃动，地球旋转轴的方向也有缓慢的漂移。这种现象称地球在缓慢地晃动，地球旋转轴的方向也有缓慢的漂移。这种现象称为进动，它导致地球赤道平面和黄道平面交线的缓慢漂移。因此，日为进动，它导致地球赤道平面和黄道平面交线的缓慢漂移。因此，日心黄道坐标系实际上并不是一个惯性参考系。若需要特别精确时，就心黄道坐标系实际上

17、并不是一个惯性参考系。若需要特别精确时，就需要注明所用的需要注明所用的 坐标系是根据哪一特定年份坐标系是根据哪一特定年份( (或称或称“历历元元”) )的春分点方向建立的。的春分点方向建立的。ssssO X Y ZsXsXssssO X Y Z空间飞行器总体设计sX 1 1）日心黄道坐标系）日心黄道坐标系 空间飞行器总体设计 空间飞行器总体设计 卫星（航天器）运行轨道的形状和在其间的位置，可以通卫星（航天器）运行轨道的形状和在其间的位置，可以通过过6 6个参量来表示，简称轨道要素或轨道根数。轨道六要素是个参量来表示，简称轨道要素或轨道根数。轨道六要素是描述和确定航天器轨道特征的量，它们是相互独

18、立的，通常具描述和确定航天器轨道特征的量，它们是相互独立的，通常具有十分明确的物理意义。有十分明确的物理意义。下面就椭圆轨道进行介绍。下面就椭圆轨道进行介绍。空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计2 2）轨道参数的实际意义轨道参数的实际意义 确定卫星轨道平面在空间的方位：由轨道倾角确定卫星轨道平面在空间的方位：由轨道倾角i i和升交点赤经和升交点赤经确定。确定。 当轨道倾角当轨道倾角i=0 时，称为赤道轨道；当时，称为赤道轨道；当i90时，称为极轨道；当时，称为极轨道；当 0i90时，航天器运行方向与地球自转方向相同，称为顺行轨道；时，航天器运行方向与地球自转方向相同，称为顺行轨道；当当 90i

19、180时，航天器运行方向与地球自转方向相反，称为逆时，航天器运行方向与地球自转方向相反，称为逆行轨道。行轨道。 确定椭圆长轴在轨道平面上的指向：由近地点确定椭圆长轴在轨道平面上的指向：由近地点确定。确定。 确定椭圆轨道的形状和大小：由长半轴确定椭圆轨道的形状和大小：由长半轴 和偏心率和偏心率e e确定。确定。 确定航天器在轨道上的位置：由航天器过近地点时刻确定航天器在轨道上的位置：由航天器过近地点时刻 把时间和空间把时间和空间( (航天器在轨道上的位置航天器在轨道上的位置) )联系起来。联系起来。空间飞行器总体设计1 1）轨道摄动的分类）轨道摄动的分类按轨道摄动的起因，轨道摄动有以下几种：按轨

20、道摄动的起因，轨道摄动有以下几种： 地球形状摄动地球形状摄动地球形状呈非球形和密度分布非中心对称使地球形状呈非球形和密度分布非中心对称使卫星轨道产生的摄动；卫星轨道产生的摄动； 大气阻力摄动大气阻力摄动稀薄大气给卫星的阻力对卫星轨道产生的摄稀薄大气给卫星的阻力对卫星轨道产生的摄动；动； 光压摄动光压摄动太阳光辐射压力对卫星轨道产生的摄动；太阳光辐射压力对卫星轨道产生的摄动； 日、月摄动日、月摄动太阳、月球引力对卫星轨道产生的摄动。太阳、月球引力对卫星轨道产生的摄动。对近地卫星而言，轨道的摄动因素主要为地球非球形和稀薄大气。对近地卫星而言，轨道的摄动因素主要为地球非球形和稀薄大气。空间飞行器总体

21、设计1 1）地球形状的摄动）地球形状的摄动地球形状摄动主要表现在两个方面：地球形状摄动主要表现在两个方面：一是使卫星的轨道面绕地球自转轴缓慢转动，即引起轨道面进一是使卫星的轨道面绕地球自转轴缓慢转动，即引起轨道面进动，进动方向与卫星运行方向相反。轨道面进动角速度与轨道半动，进动方向与卫星运行方向相反。轨道面进动角速度与轨道半长轴长轴a a、偏心率、偏心率e e、倾角、倾角i i的关系可近似表示成的关系可近似表示成 升交点赤径变化率；升交点赤径变化率； 地球赤道半径。地球赤道半径。71222110.00() cos (/(1)Riea 度 天)1R空间飞行器总体设计1 1）地球形状的摄动）地球形

22、状的摄动地球形状摄动主要表现在两个方面：地球形状摄动主要表现在两个方面：地球形状摄动的第二个效应是使近地点位置（近地点幅角）变地球形状摄动的第二个效应是使近地点位置（近地点幅角）变化，即使近地点飘移。近地点幅角的平均变化速率为化，即使近地点飘移。近地点幅角的平均变化速率为 72122215.00() (5cos1)(/(1)Riea度 天)空间飞行器总体设计3 3）大气阻力摄动）大气阻力摄动 大气阻力使轨道的半长轴大气阻力使轨道的半长轴a a不断减不断减小，使远地点高度的下降比近地点高小，使远地点高度的下降比近地点高度的下降来得快，因而使椭圆轨道逐度的下降来得快，因而使椭圆轨道逐渐圆形化，即偏

23、心率渐圆形化，即偏心率e e不断减小。随不断减小。随着航天器高度的降低，大气阻力的作着航天器高度的降低，大气阻力的作用更加明显，高度的衰减也愈来愈快，用更加明显，高度的衰减也愈来愈快，最终使近地轨道航天器以螺旋形轨迹最终使近地轨道航天器以螺旋形轨迹坠入稠密大气层陨毁。坠入稠密大气层陨毁。 空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计0sinsin(180)sRhRarcsin(sin)shRR2 arcsin(sin)shRdRR空间飞行器总体设计4 4）遥感器地面分辨率随轨道高度增加而降低。）遥感器地面分辨率随轨道高度增加而降低。 地面分辨率地面分辨率 的公式为的公式为 式中，式中， 摄影时的轨道高

24、度；摄影时的轨道高度； f f相机焦距；相机焦距； 摄影综合分辨率。摄影综合分辨率。 由上式可以看出，地面分辨率与轨道高度关系密切，轨道高度越低由上式可以看出，地面分辨率与轨道高度关系密切，轨道高度越低地面分辨率越高。因此，资源卫星和侦察卫星应尽量降低轨道高度。地面分辨率越高。因此，资源卫星和侦察卫星应尽量降低轨道高度。wSswzhSR fshzR空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计1111）太阳同步轨道参数的相互制约；）太阳同步轨道参数的相互制约；1212）返回式卫星的返回轨道对运行轨道的要求。返回卫星的返回）返回式卫星的返回轨道对运行轨道的要求。返回卫星的返回航程与轨道高度存在正比关系，即

25、轨道高度越高返回航程越航程与轨道高度存在正比关系，即轨道高度越高返回航程越长，为保证卫星于特定区域回收成功，也必须适当地设计制长，为保证卫星于特定区域回收成功，也必须适当地设计制动火箭点火点的轨道高度。动火箭点火点的轨道高度。1313）卫星地面测控站（船）的分布及测控任务的要求。卫星主动）卫星地面测控站（船）的分布及测控任务的要求。卫星主动段、入轨段、运行段以及返回段的跟踪、测量与控制与卫星段、入轨段、运行段以及返回段的跟踪、测量与控制与卫星的轨道倾角相关。的轨道倾角相关。1414）飞行程序的要求。）飞行程序的要求。空间飞行器总体设计 卫星进入地球阴影的现象称为卫星食或星食。在卫星设计卫星进入

26、地球阴影的现象称为卫星食或星食。在卫星设计中要充分考虑这一常见现象，通常需要知道的参数有：中要充分考虑这一常见现象，通常需要知道的参数有： 1 1）卫星运行一圈内，卫星处于地影内的时间和卫星周期之比，）卫星运行一圈内，卫星处于地影内的时间和卫星周期之比，这个比值称为星食因子。蓄电池设计与此比值有关。这个比值称为星食因子。蓄电池设计与此比值有关。 2 2）进出地影的时刻。大多数情况下。发射时间确定后，地影）进出地影的时刻。大多数情况下。发射时间确定后，地影情况也就确定。情况也就确定。空间飞行器总体设计 卫星和地心的连线与地球表面的交点称为星下点。一般用地理卫星和地心的连线与地球表面的交点称为星下

27、点。一般用地理经度经度，地理纬度，地理纬度 来表示。随着卫星的运动，星下点在地面来表示。随着卫星的运动，星下点在地面（地图）上描绘出的轨迹称为星下点轨迹。（地图）上描绘出的轨迹称为星下点轨迹。 定义一：视地球为球形，定义一：视地球为球形，把地心和卫星的连线与球面的把地心和卫星的连线与球面的交点定义为星下点。见右图。交点定义为星下点。见右图。 空间飞行器总体设计 定义二：视地球为旋转椭球体，把地心和卫星的连线与椭定义二：视地球为旋转椭球体，把地心和卫星的连线与椭球面的交点定义为星下点。星下点纬度取地理纬度，下图球面的交点定义为星下点。星下点纬度取地理纬度，下图b b给出了地理纬度和地心纬度之间的

28、关系。给出了地理纬度和地心纬度之间的关系。 空间飞行器总体设计 如果用轨迹根数求出如果用轨迹根数求出t t0 0时刻的卫星直角坐标时刻的卫星直角坐标x,y,zx,y,z，则得到卫，则得到卫星地心纬度有下列关系式星地心纬度有下列关系式 卫星赤径卫星赤径有下列关系式有下列关系式 卫星地理径度卫星地理径度为为 式中，式中，t t0 0时刻的格林尼治恒星时。时刻的格林尼治恒星时。sinzr0000000tan0,0,0900,0,03600,0,901800,0,180270yxxyxyxyxy当有当有27当有当有空间飞行器总体设计2200220(1)aabbR yRyxyR xR00tanyx220

29、220tantan1.006739tanaabbRyRRxR将定义一求出的将定义一求出的t t0 0时刻的星下点地心纬度时刻的星下点地心纬度换成地理纬度即可。换成地理纬度即可。 地球赤道半径地球赤道半径Ra=6378.140kmRa=6378.140km，地球极半径，地球极半径RbRb=6356.755km=6356.755km。图。图中中A A点的椭圆（剖面）法向和赤道的夹角点的椭圆（剖面）法向和赤道的夹角 为地理纬度。设为地理纬度。设A A点点在以地心为中心的坐标系中的坐标为在以地心为中心的坐标系中的坐标为x0 x0，y0y0，过该点的法线方，过该点的法线方程为程为 这样，地心纬度这样，地

30、心纬度为为 地理纬度地理纬度 为法线和为法线和x x轴的夹角，即轴的夹角，即空间飞行器总体设计 卫星的发射窗口是指可以发射卫星的时间集合，一般要根据卫卫星的发射窗口是指可以发射卫星的时间集合，一般要根据卫星使命，星、地各系统的要求，结合卫星、太阳（或月亮）运动规星使命，星、地各系统的要求，结合卫星、太阳（或月亮）运动规律确定允许发射卫星的时间。通常将星箭分离时间作为计算的起点，律确定允许发射卫星的时间。通常将星箭分离时间作为计算的起点，发射窗口的时间要扣除发射段飞行时间。发射窗口的时间要扣除发射段飞行时间。 限制发射时间的因素，随卫星的不同而不尽相同。常有的条件有：限制发射时间的因素，随卫星的

31、不同而不尽相同。常有的条件有： 1 1）太阳照射地面目标的光照条件（太阳高度角）；）太阳照射地面目标的光照条件（太阳高度角）； 2 2）卫星太阳电池正常工作对太阳光照射星体的方向要求；）卫星太阳电池正常工作对太阳光照射星体的方向要求； 3 3）卫星姿态测量对地球、卫星、太阳几何关系的要求；）卫星姿态测量对地球、卫星、太阳几何关系的要求； 4 4）卫星姿态机动对地球、卫星、太阳几何关系的要求；）卫星姿态机动对地球、卫星、太阳几何关系的要求；空间飞行器总体设计 5 5）卫星热控对太阳光照射星体方向的要求；）卫星热控对太阳光照射星体方向的要求； 6 6）卫星某些特殊部件对太阳光、月球反射光、地球反射

32、光照射星体）卫星某些特殊部件对太阳光、月球反射光、地球反射光照射星体方向的要求；方向的要求； 7 7）卫星处于地影时的轨道弧段要求；）卫星处于地影时的轨道弧段要求； 8 8）卫星处于地影内时间长短要求；）卫星处于地影内时间长短要求； 9 9）回收时间要求；）回收时间要求； 1010）其它要求。）其它要求。 这些要求可以分为卫星、地球、太阳三者间的几何关系及太阳照射星这些要求可以分为卫星、地球、太阳三者间的几何关系及太阳照射星体方向。体方向。空间飞行器总体设计 卫星受大气阻力的影响，轨道高度逐渐下降，最终进入稠卫星受大气阻力的影响，轨道高度逐渐下降，最终进入稠密大气陨落，结束卫星的轨道寿命。对于

33、低轨道卫星，估算轨密大气陨落，结束卫星的轨道寿命。对于低轨道卫星，估算轨道寿命是一项重要工作。道寿命是一项重要工作。 设设e e0 0认为是寿命结束，认为是寿命结束， ，寿命为，寿命为下标下标“0”0”为初始时的参数。为初始时的参数。式中，式中，H H密度标高；密度标高； 近地点处的大气密度；近地点处的大气密度； I1 虚变量的第一类贝塞尔函数。虚变量的第一类贝塞尔函数。aeH00()200102()pH eTn a kIPDAkCm空间飞行器总体设计u 近地轨道的概念：指卫星轨道高度低于近地轨道的概念：指卫星轨道高度低于1000km1000km的轨道。（用于的轨道。（用于资源卫星、军用侦察卫

34、星、定位卫星、气象卫星，导航卫星以资源卫星、军用侦察卫星、定位卫星、气象卫星，导航卫星以及用于天空实验室、载人飞船等）。及用于天空实验室、载人飞船等）。u 近地轨道卫星具有近圆的特点：即近地轨道一般选用圆形或近近地轨道卫星具有近圆的特点：即近地轨道一般选用圆形或近乎圆形的小偏心率轨道，这样卫星轨道的高度、速度变化均较乎圆形的小偏心率轨道，这样卫星轨道的高度、速度变化均较小。可见光照相资源卫星、侦察卫星、导航定位卫星也常用圆小。可见光照相资源卫星、侦察卫星、导航定位卫星也常用圆轨道。轨道。u 近地轨道卫星的轨道控制：包括轨道倾角修正和平面内的修正。近地轨道卫星的轨道控制：包括轨道倾角修正和平面内

35、的修正。平面内的控制包括入轨误差的修正和长期运行中的星下点轨迹平面内的控制包括入轨误差的修正和长期运行中的星下点轨迹的保持，有时还需要控制近地点幅角和偏心率的保持，有时还需要控制近地点幅角和偏心率e e。空间飞行器总体设计u 变轨策略：确定变轨分几次进行，每次变轨量的大小，每次变轨变轨策略：确定变轨分几次进行，每次变轨量的大小，每次变轨在什么时候进行。这是转移轨道设计的重要内容。在什么时候进行。这是转移轨道设计的重要内容。u 最佳的转移轨道最佳的转移轨道（近地点约（近地点约220km220km，远地，远地点高度与静止轨道相近）。点高度与静止轨道相近）。u 变轨策略的实施：变轨策略的实施： 固体

36、远地点发动机（选择推力方向和点火时间）。固体远地点发动机（选择推力方向和点火时间）。 液体远地点发动机（选择推力方向、点火时间、发动机工作时间）。液体远地点发动机（选择推力方向、点火时间、发动机工作时间）。u 变轨效果衡量标准：以节省燃料为目的。建立消耗燃料和变轨参数的数变轨效果衡量标准：以节省燃料为目的。建立消耗燃料和变轨参数的数学关系式学关系式( (目标函数目标函数) )，采用最优的方法找出变轨参数的最优解。，采用最优的方法找出变轨参数的最优解。空间飞行器总体设计 远地点发动机是将轨道倾角变为零，抬高转移轨道近地点远地点发动机是将轨道倾角变为零，抬高转移轨道近地点高度的动力装置，分为固体远

37、地点发动机和液体远地点发动机高度的动力装置，分为固体远地点发动机和液体远地点发动机两类。两种发动机有不同的特点。两类。两种发动机有不同的特点。 (1) (1) 固体远地点发动机特点固体远地点发动机特点 固体发动机结构简单，一次完成变轨任务、工作时间比较固体发动机结构简单，一次完成变轨任务、工作时间比较短推力大，常可视为脉冲点火加速。一般用自旋稳定方向，短推力大，常可视为脉冲点火加速。一般用自旋稳定方向，推力方向在自旋轴方向。其总冲不可调，比冲也比较低，精度推力方向在自旋轴方向。其总冲不可调，比冲也比较低，精度较差。可能会出现总冲和卫星总重不协调的情况。这种不协调，较差。可能会出现总冲和卫星总重

38、不协调的情况。这种不协调，有时，可以用转移轨道参数调整来解决。有时，可以用转移轨道参数调整来解决。空间飞行器总体设计 (2) (2) 液体远地点发动机特点液体远地点发动机特点 液体发动机推力一般比较小，工作时间较长，和脉冲加速相比液体发动机推力一般比较小，工作时间较长，和脉冲加速相比较，稍有燃料的浪费。为了避免这种情况，利用液体发动机可以较，稍有燃料的浪费。为了避免这种情况，利用液体发动机可以多次工作的特点将变轨分几次进行。液体发动机可以视情况关多次工作的特点将变轨分几次进行。液体发动机可以视情况关机。用变轨前后的轨道测量结果进行发动机变轨参数的标定。对机。用变轨前后的轨道测量结果进行发动机变

39、轨参数的标定。对以后的变轨进行修正。这样可以提高变轨的精度。以后的变轨进行修正。这样可以提高变轨的精度。 液体推进剂的比冲较高，几乎不存在与卫星总重不匹配的情况。液体推进剂的比冲较高，几乎不存在与卫星总重不匹配的情况。尤其在与小推力器共用推进剂的情况，推进剂用量可以调整。尤其在与小推力器共用推进剂的情况，推进剂用量可以调整。 空间飞行器总体设计 V V在执行整个空间飞行任务期间所需的速度增量之和。在执行整个空间飞行任务期间所需的速度增量之和。 在初步设计时，可以用火箭方程估算所需的在初步设计时，可以用火箭方程估算所需的V V。 式中，式中， 是飞行器的干重；是飞行器的干重； 飞行器的初始质量；

40、飞行器的初始质量； 消耗的推进剂质量。消耗的推进剂质量。 上述方程没有考虑由阻力和重力所引起的损失，因而代表了理想上述方程没有考虑由阻力和重力所引起的损失，因而代表了理想的情况。实际上，可达到的的情况。实际上，可达到的V V要比理想值小一些。要比理想值小一些。000lnlnssTGMMVIIMMM0GTMMM0MTM空间飞行器总体设计 0exp() 11 exp()TGssVVMMMII 0exp() 11 exp()TGssVVMMMII空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计u 定义：太阳同步轨道是指轨道

41、面进动角速度与太阳在黄道定义：太阳同步轨道是指轨道面进动角速度与太阳在黄道上运动的平均角速度（即地球绕太阳公转的平均角速度上运动的平均角速度（即地球绕太阳公转的平均角速度0.98560.9856/ /天）相同。天）相同。u 太阳同步轨道的特点：太阳同步轨道的特点： 太阳同步轨道倾角太阳同步轨道倾角i i必须大于必须大于9090，也称逆行轨道。，也称逆行轨道。 太阳同步圆轨道的半长轴不会大于太阳同步圆轨道的半长轴不会大于6000 km6000 km。 在实际应用中对地观测卫星常选取太阳同步的回归轨道。在实际应用中对地观测卫星常选取太阳同步的回归轨道。空间飞行器总体设计 空间飞行器总体设计 回归轨

42、道是指星下点轨迹出现周期性重叠的轨道。重复回归轨道是指星下点轨迹出现周期性重叠的轨道。重复出现的周期称为回归周期。在回归轨道上运行的航天器，出现的周期称为回归周期。在回归轨道上运行的航天器，每经过一个回归周期，航天器又出现在以前经过的同一个每经过一个回归周期，航天器又出现在以前经过的同一个地区。这样就可以对航天器覆盖的区域进行动态监视，以地区。这样就可以对航天器覆盖的区域进行动态监视，以发现这一段时间内目标的变化。如果一条卫星轨道既是回发现这一段时间内目标的变化。如果一条卫星轨道既是回归轨道又是太阳同步轨道，则该轨道称为太阳同步回归轨归轨道又是太阳同步轨道，则该轨道称为太阳同步回归轨道。道。空

43、间飞行器总体设计 当航天器轨道面与地球赤道面重合，航天器运行方向和周期与当航天器轨道面与地球赤道面重合，航天器运行方向和周期与地球自转相同，并且轨道偏心率等于零，则这种轨道称为地球静地球自转相同，并且轨道偏心率等于零，则这种轨道称为地球静止轨道。地球静止轨道卫星的特点：止轨道。地球静止轨道卫星的特点： 轨道倾角轨道倾角i=0i=0的赤道轨道；的赤道轨道； 偏心率偏心率e=0e=0的圆轨道；的圆轨道； 轨道高度轨道高度h=35810kmh=35810km的高轨道；的高轨道； 周期周期T24hT24h； 环绕速度环绕速度VeVe=3.07km/s=3.07km/s。空间飞行器总体设计 极轨道为倾角

44、等于极轨道为倾角等于9090的轨道。但工程上把倾角稍的轨道。但工程上把倾角稍许偏离许偏离9090的轨道也称为极轨道。沿这种轨道运行的航的轨道也称为极轨道。沿这种轨道运行的航天器，每圈都经过南极、北极地区，再加上地球自转天器，每圈都经过南极、北极地区，再加上地球自转效应，能达到覆盖全球的目的。效应，能达到覆盖全球的目的。 空间飞行器总体设计 为了能覆盖高纬地区，可用临界倾角大椭圆轨道。为了能覆盖高纬地区，可用临界倾角大椭圆轨道。 所谓临界倾角就是当轨道倾角为所谓临界倾角就是当轨道倾角为63.463.4或或116.6116.6时，轨道的时，轨道的近地点幅角由于摄动引起的变化率为零。若采用近地点在南

45、半近地点幅角由于摄动引起的变化率为零。若采用近地点在南半球球( (近地点幅角为近地点幅角为270)270)、高度约、高度约600km600km，远地点在北半球、高，远地点在北半球、高度约度约40000km40000km，轨道倾角为，轨道倾角为63.463.4，则当卫星运行在远地点前后，则当卫星运行在远地点前后很长一段轨道上，在北半球可以长时间看到卫星。这就是周期很长一段轨道上，在北半球可以长时间看到卫星。这就是周期为为12h12h的临界倾角大椭圆轨道。的临界倾角大椭圆轨道。 空间飞行器总体设计 甚低轨道是指近地点甚低轨道是指近地点200km200km左右，远地点左右，远地点400km400km

46、左右的左右的低地球轨道。其特点是轨道离地面高度接近最低的程低地球轨道。其特点是轨道离地面高度接近最低的程度；若再低，大气阻力就太大，卫星的轨道寿命太短，度；若再低，大气阻力就太大，卫星的轨道寿命太短，甚至不能形成正常运行的轨道。甚至不能形成正常运行的轨道。空间飞行器总体设计 由多颗卫星通过不同或相同轨道组成全球覆盖或一定区域覆盖的由多颗卫星通过不同或相同轨道组成全球覆盖或一定区域覆盖的卫星网称为星座。星座大致可有卫星网称为星座。星座大致可有4 4种类型：种类型： 一类是有几个升交点赤经均布、倾角和高度都相同的圆轨道（各一类是有几个升交点赤经均布、倾角和高度都相同的圆轨道（各轨道上均布相同数量的

47、卫星），实现全球实时连续覆盖。这种实用轨道上均布相同数量的卫星），实现全球实时连续覆盖。这种实用星座的轨道高度又可分为高（星座的轨道高度又可分为高（20000km20000km）、中（约）、中（约10000km10000km）、低）、低（约（约1000km1000km）三种。此类星座称为均匀对称星座；）三种。此类星座称为均匀对称星座； 第二类是由偏心率、轨道倾角和周期都相同，而升交点赤经、近地第二类是由偏心率、轨道倾角和周期都相同，而升交点赤经、近地点幅角和初始时刻的平近点角按一定规律分布的多颗卫星所形成的点幅角和初始时刻的平近点角按一定规律分布的多颗卫星所形成的星座，称为椭圆轨道星座；星座，

48、称为椭圆轨道星座；空间飞行器总体设计第三类星座是由多颗卫星分别分布在一个静止轨道和一个第三类星座是由多颗卫星分别分布在一个静止轨道和一个（或几个）倾角为（或几个）倾角为9090的极地轨道或太阳同步轨道所形成的星的极地轨道或太阳同步轨道所形成的星座，该星座可称为混合星座；座，该星座可称为混合星座；第四类由一种编队飞行的卫星群，即由第四类由一种编队飞行的卫星群，即由2 2颗或颗或2 2颗以上卫星保颗以上卫星保持近距离编队飞行（可形成长得多的天线基线持近距离编队飞行（可形成长得多的天线基线虚拟天线虚拟天线或组成三星时差定位系统等），该卫星群可称为编队星座。或组成三星时差定位系统等），该卫星群可称为编

49、队星座。空间飞行器总体设计 卫星轨道选择是卫星顶层设计，是卫星方案设计的前提（或卫星轨道选择是卫星顶层设计，是卫星方案设计的前提（或依据）之一。轨道选择的任务：依据）之一。轨道选择的任务：一方面进行具体轨道参数选择和轨道相关设计。因为卫星轨道一方面进行具体轨道参数选择和轨道相关设计。因为卫星轨道或星座选择直接影响到卫星的总体方案和构型设计（如用太阳或星座选择直接影响到卫星的总体方案和构型设计（如用太阳同步轨道的卫星要求有效载荷对地定向，太阳电池翼对日定同步轨道的卫星要求有效载荷对地定向，太阳电池翼对日定向）。向）。另一方面要用较多的精力针对所选轨道去分析并提出用何种方另一方面要用较多的精力针对

50、所选轨道去分析并提出用何种方案去实现卫星的任务要求。因为卫星的方案和构型又会对轨道案去实现卫星的任务要求。因为卫星的方案和构型又会对轨道（或星座）提出一定的要求（如为了提高地面分辨率要求轨道（或星座）提出一定的要求（如为了提高地面分辨率要求轨道高度尽量低些等）。高度尽量低些等）。空间飞行器总体设计u对地观测卫星主要是要有高的地面分辨率和识别波谱特对地观测卫星主要是要有高的地面分辨率和识别波谱特性。性。u用于军事目的的对地观测卫星，其轨道特点是近地近圆。用于军事目的的对地观测卫星，其轨道特点是近地近圆。u对于开发地球和海洋资源的卫星，其轨道特点一般是对于开发地球和海洋资源的卫星，其轨道特点一般是

51、800 800 kmkm左右高度的太阳同步圆轨道，以满足比较长的寿命和左右高度的太阳同步圆轨道，以满足比较长的寿命和地面的光照条件。地面的光照条件。 空间飞行器总体设计u 地球静止卫星轨道：处于地球静止卫星轨道上的通信卫星相对地球地球静止卫星轨道：处于地球静止卫星轨道上的通信卫星相对地球静止不动，地球站天线跟踪简单，并能实现昼夜不间断的通信。静止不动，地球站天线跟踪简单，并能实现昼夜不间断的通信。u 大椭圆轨道：对于高纬度地区，地球站天线对静止卫星的仰角太低，大椭圆轨道：对于高纬度地区，地球站天线对静止卫星的仰角太低，信号传输中的大气衰减比较严重，为了保证通信质量需要增加卫星信号传输中的大气衰

52、减比较严重，为了保证通信质量需要增加卫星对覆盖区的辐射功率、或提高地球站的接收能力。因此，有的通信对覆盖区的辐射功率、或提高地球站的接收能力。因此，有的通信卫星采用了大倾角、远地点达卫星采用了大倾角、远地点达4 4万公里的大椭圆轨道，用于高纬度地万公里的大椭圆轨道，用于高纬度地区的通信。例如闪电一号的轨道就是如此。区的通信。例如闪电一号的轨道就是如此。空间飞行器总体设计u 轨道：多为太阳同步轨道或地球静止卫星轨道。轨道：多为太阳同步轨道或地球静止卫星轨道。u 太阳同步轨道呈圆形，偏心率小于千分之一，倾角大于太阳同步轨道呈圆形，偏心率小于千分之一，倾角大于9090，为了保证云图的质量，高度一般在

53、为了保证云图的质量，高度一般在8008001000 km1000 km，以便飞经地，以便飞经地球各地区时获得的图像有相同的光照条件。球各地区时获得的图像有相同的光照条件。空间飞行器总体设计 导航卫星的轨道均选用圆轨道，高度一般为中高轨道导航卫星的轨道均选用圆轨道，高度一般为中高轨道直到地球同步轨道。例如多普勒导航卫星选用上千公里直到地球同步轨道。例如多普勒导航卫星选用上千公里的圆形极轨道，既能减少大气阻力对轨道的影响，又不的圆形极轨道，既能减少大气阻力对轨道的影响，又不会使多普勒频移减小和传通误差增大，极轨道还使轨道会使多普勒频移减小和传通误差增大，极轨道还使轨道进动最小和导航网比较稳定。进动

54、最小和导航网比较稳定。 空间飞行器总体设计 测地卫星的轨道一般采用测地卫星的轨道一般采用10001000公里至数千公里近圆极公里至数千公里近圆极轨道。动力学测地卫星采用一组具有不同倾角的轨道，轨道。动力学测地卫星采用一组具有不同倾角的轨道，可获得全球性引力场异常及其变化数据，从而提高对地可获得全球性引力场异常及其变化数据，从而提高对地球引力场参数和地球形体的测定精度。球引力场参数和地球形体的测定精度。 空间飞行器总体设计 电于侦察卫星的轨道一般为近圆形或圆形。为了兼电于侦察卫星的轨道一般为近圆形或圆形。为了兼顾定位精度和卫星长期工作的要求，单星定位制卫星的顾定位精度和卫星长期工作的要求，单星定

55、位制卫星的轨道高度一般在轨道高度一般在400400公里到公里到500500公里，多星定位制卫星的公里，多星定位制卫星的轨道高度一般在轨道高度一般在10001000公里以上，有利于长期监视大面积公里以上，有利于长期监视大面积地区。地区。 空间飞行器总体设计轨道类型轨道类型应用范围应用范围特性特性地球静止轨道及其星座地球静止轨道及其星座国际通信、区域和国内通信广播、国际通信、区域和国内通信广播、海事通信、移动通信、区域导航、海事通信、移动通信、区域导航、区域气象观测等卫星区域气象观测等卫星在赤道上空的位置几乎在赤道上空的位置几乎保持不变保持不变太阳同步太阳同步(回归回归)轨道及其轨道及其星座星座地

56、球资源观测、全球气象观测、地球资源观测、全球气象观测、空间环境探测和科学技术试验、空间环境探测和科学技术试验、海洋监测等卫星海洋监测等卫星轨道旋转，使得轨道相轨道旋转，使得轨道相对于太阳方位近似不变对于太阳方位近似不变甚低轨道甚低轨道返回式遥感卫星、载人飞船、航返回式遥感卫星、载人飞船、航天飞机、空间试验室、空间站等天飞机、空间试验室、空间站等地面分辨率高，运载火地面分辨率高，运载火箭能力要求低箭能力要求低临界倾角大椭圆轨道临界倾角大椭圆轨道(周周期为期为12h)及其星座及其星座高纬度通信、空间环境探测和科高纬度通信、空间环境探测和科学技术试验卫星学技术试验卫星远地点远地点/近地点不变近地点不

57、变高高(约约20000km)、中、中(约约2000km)、低、低(1000km)轨轨道实时全球覆盖星座道实时全球覆盖星座全球移动通信全球移动通信(含少量固定通信含少量固定通信)、全球导航、全球环境监测等卫星全球导航、全球环境监测等卫星网网空间飞行器总体设计wSshzRswzhSR f空间飞行器总体设计 空间飞行器总体设计27109856. 0cosRrieTeTNDe360空间飞行器总体设计 地球静止轨道参数选择主要是确定定点位置及其精度。静止轨道的通地球静止轨道参数选择主要是确定定点位置及其精度。静止轨道的通信卫星，它的轨道平面与地球赤道平面相重合，轨道倾角通常不为信卫星，它的轨道平面与地球

58、赤道平面相重合，轨道倾角通常不为零，而是一个小倾角。零，而是一个小倾角。u 降低测量精度降低测量精度u 节省推进剂。节省推进剂。 为了提高高纬度地区对静止轨道的通信卫星的可见度，扩大高纬为了提高高纬度地区对静止轨道的通信卫星的可见度，扩大高纬度地区的通信覆盖面积，在卫星总体设计上，就让卫星存在一个小度地区的通信覆盖面积，在卫星总体设计上，就让卫星存在一个小倾角。我国发射的几颗通信卫星都存在一个小的倾角并且不加倾角。我国发射的几颗通信卫星都存在一个小的倾角并且不加修正，既可以节省推进剂，又不影响通信。修正，既可以节省推进剂，又不影响通信。空间飞行器总体设计 航天器在控制系统作用下使其轨道发生有意

59、的改变，称为轨航天器在控制系统作用下使其轨道发生有意的改变，称为轨道机动。换言之，轨道机动是指沿原轨道运行的航天器经机动道机动。换言之，轨道机动是指沿原轨道运行的航天器经机动改变成另一条所要求的新的轨道运行。改变成另一条所要求的新的轨道运行。 按原轨道和新轨道是否有相重点分类：按原轨道和新轨道是否有相重点分类：轨道改变：当原轨道与新轨道相交（或相切）时，在交点（或轨道改变：当原轨道与新轨道相交（或相切）时，在交点（或切点）施加一次冲量，即可使航天器由原轨道转入新轨道，这切点）施加一次冲量，即可使航天器由原轨道转入新轨道，这种情况称为轨道改变。种情况称为轨道改变。空间飞行器总体设计轨道转移：当原

60、轨道与新轨道不相交（或不相切）时，则至少轨道转移：当原轨道与新轨道不相交（或不相切）时，则至少要施加两次冲量才能使航天器由原轨道转入新轨道，这种情况要施加两次冲量才能使航天器由原轨道转入新轨道，这种情况称为轨道转移。连接原轨道和新轨道的中间轨道，称为过渡轨称为轨道转移。连接原轨道和新轨道的中间轨道，称为过渡轨道或转移轨道。道或转移轨道。空间飞行器总体设计 卫星从一个轨道转移到另一个卫星从一个轨道转移到另一个轨道，通常是利用假定在瞬时之轨道，通常是利用假定在瞬时之间作用的速度增量间作用的速度增量V V完成的；完成的；也就是说，可以用单个或几个推也就是说，可以用单个或几个推力冲量来调整或改变轨道。