CN111141278A - 一种星下点定时回归的赤道轨道半长轴确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种星下点定时回归的赤道轨道半长轴确定方法,包括:1)选择赤道圆轨道的顺逆行;2)选择卫星单日回归次数,根据公式计算星下点回归周期小时数N;3)根据星下点回归周期小时数N,计算卫星在惯性空间内的回归周期;4)根据惯性空间回归周期,计算顺行、逆行赤道回归轨道对应的半长轴。本发明提出一种能够在每天多个特定时间实现星下点回归的赤道轨道概念,并给出这种赤道轨道的半长轴确定方法。基于这种轨道的赤道卫星,能够实现单星对中低纬度任一地区的小时级重访,且实现对该区域的每天多次定时重访。
Description
技术领域
本发明涉及一种星下点定时回归的赤道轨道半长轴确定方法,属于航天器轨道设计领域。适用于有中低纬度地面快速重访要求的遥感卫星,和通信、导航增强卫星。
背景技术
遥感卫星是人造地球卫星的重要组成部分,在自然资源监管与调查、生态环境监测、农业农村、气象、防灾减灾与应急救援等行业应用发挥了不可替代的作用。目前遥感卫星主要运行在太阳同步轨道中,一般为倾角在97°~99°左右、高度不超过6000km的逆行圆轨道,通过轨道设计,可以令星下点轨迹在数天或数十天内回归。太阳同步轨道的优势在于:其轨道面在地球摄动下绕地球自转轴的转动方向和平均角速度,与地球绕太阳公转的方向和平均角速度相同,因此卫星在每圈经过相同纬度时,星下点地方时大致相同,对光学遥感卫星的成像有利。
但太阳同步轨道存在不足,无法实现对中低纬度任一区域的星下点单日回归,单星对中低纬度地区成像的时间间隔较大,实现高重访率乃至对区域内目标连续观测,所需星座规模极大。我国国土大致为南北向窄、东西向宽,主要河流多为东西走向,中低纬度范围内陆海热点地区较多,采用太阳同步轨道星座实现高重访遥感探测难度巨大。
采用地球静止轨道卫星,可以实现对覆盖范围内地区的连续观测,但受限于遥感器水平,目前实际投入使用的地球静止轨道卫星只有高分四号,其星下点(赤道)分辨率为50m,无法满足中高分辨率遥感的需求。采用低于地球静止轨道高度的中低轨赤道卫星,能够对中低纬度区域实现小时级重访遥感探测。
通过检索得知,目前与中轨赤道轨道相关的应用和专利只局限于通信卫星星座,如美国O3b星座、欧洲专利EP0833462A2、中国专利99106177.2、中国专利201780001218.0等。尽管一些专利提出了回归轨道的高度,但其没有提出具体的回归轨道设计方法,且并非按照遥感卫星地面成像的光照条件进行设计,不能实现不同天内对同一地区的相同地方时回归。对于未来中低轨赤道卫星的发展,进行新的星下点定时回归的轨道设计是基础。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提出了一种星下点定时回归的赤道轨道半长轴确定方法,基于这种轨道的赤道卫星,能够实现单星对中低纬度任一地区的小时级重访,且实现对该区域的每天多次定时重访。
本发明的技术方案是:
一种星下点定时回归的赤道轨道半长轴确定方法,包括步骤如下:
1)根据赤道轨道卫星一天内通过赤道上任一给定经度的次数X,确定卫星的星下点回归周期小时数N;所述卫星轨道为顺行赤道圆轨道或逆行赤道圆轨道;
2)判断所述卫星轨道为顺行赤道圆轨道或逆行赤道圆轨道,若所述卫星轨道为顺行赤道圆轨道,进入步骤3),若所述卫星轨道为逆行赤道圆轨道,则进入步骤5);
3)根据步骤1)确定的所述星下点回归周期小时数N,确定卫星在惯性空间内的回归周期T,然后进入步骤4);
4)根据步骤3)所述卫星在惯性空间内的回归周期T,确定卫星轨道半长轴a0;
5)根据步骤1)确定的所述星下点回归周期小时数N,确定卫星在惯性空间内的回归周期T,然后进入步骤6);
6)根据步骤5)所述卫星在惯性空间内的回归周期T,确定卫星轨道半长轴a0。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
1)本发明引入惯性空间回归周期概念,表征了赤道轨道包含交点进动、近点角进动等摄动项后在地心惯性系ECI中转过360°的周期,是星下点定时回归赤道轨道半长轴确定的重要组成部分;
2)本发明提出了顺行N小时回归赤道轨道的设计原理,并给出了轨道半长轴的确定方法,能够实现单星对中低纬度任一地区的小时级重访,且实现对该区域的每天多次定时重访,与现有太阳同步轨道相比,极大提高单颗卫星的时间分辨率,与现有地球同步轨道相比,大幅度降低轨道高度,有助于提升在高时间分辨率下提升空间分辨率;
3)本发明提出了逆行N小时回归赤道轨道的设计原理,并给出了轨道半长轴的确定方法,能够实现单星对中低纬度任一地区的小时级重访,且实现对该区域的每天多次定时重访,与现有太阳同步轨道相比,极大提高单颗卫星的时间分辨率,与现有地球同步轨道相比,大幅度降低轨道高度,有助于提升在高时间分辨率下提升空间分辨率。
附图说明
图1为顺行赤道回归轨道设计方法图;
图2为逆行赤道回归轨道设计方法图;
图3为星下点定时回归的赤道轨道设计流程图。
具体实施方式
本发明一种星下点定时回归的赤道轨道半长轴确定方法,如图3所示,包括步骤如下:
1)根据赤道轨道卫星一天内通过赤道上任一给定经度的次数X,确定卫星的星下点回归周期小时数N;所述卫星轨道为顺行赤道圆轨道或逆行赤道圆轨道;所述卫星采用星下点定时回归的赤道轨道方案,采用这种轨道的卫星运行于赤道面上的单一轨道面,卫星轨道倾角为0°或180°;卫星星下点能够在一天(24小时,86400秒)内,整数次通过赤道上任一给定经度。
2)判断所述卫星轨道为顺行赤道圆轨道或逆行赤道圆轨道,若所述卫星轨道为顺行赤道圆轨道,进入步骤3),若所述卫星轨道为逆行赤道圆轨道,则进入步骤5);
3)根据步骤1)确定的所述星下点回归周期小时数N,确定卫星在惯性空间内的回归周期T,然后进入步骤4);
4)根据步骤3)所述卫星在惯性空间内的回归周期T,确定卫星轨道半长轴a0;
5)根据步骤1)确定的所述星下点回归周期小时数N,确定卫星在惯性空间内的回归周期T,然后进入步骤6);
6)根据步骤5)所述卫星在惯性空间内的回归周期T,确定卫星轨道半长轴a0。
步骤1)所述确定卫星的星下点回归周期小时数N的方法,具体为:
步骤3)所述确定卫星在惯性空间内的回归周期的方法,具体为:
其中,Tmsd为平太阳日,Tmsd=86400s,Tsd为地球自转周期,Tsd=86164.0989s。γ为平太阳日与地球自转周期的比值。
步骤5)所述确定卫星在惯性空间内的回归周期的方法,具体为:
其中,Tmsd为平太阳日,Tmsd=86400s,Tsd为地球自转周期,Tsd=86164.0989s,γ为平太阳日与地球自转周期的比值。
所述卫星轨道半长轴a0根据下式确定,具体为:
其中,在卫星轨道为顺行赤道圆轨道时,i=0°,在卫星轨道为逆行赤道圆轨道时,i=180°;地球赤道半径R=6378.137km,地心引力常数μ=398600.44km3/s2,摄动常数J2=1.0826×10-3,π=3.14。
实施例
本发明包括对0°倾角的顺行赤道回归轨道和180°倾角的逆行赤道回归轨道的设计。
1.轨道周期定义
赤道轨道卫星的一大特性就是星下点轨迹与赤道严格重合,能够实现固定时间的星下点回归,这是其他轨道面与赤道面不重合的卫星所难以达到的。但由此也产生了“轨道周期”定义的问题。
一般地,在摄动影响下卫星的实际轨道不闭合,对轨道周期的定义有如下几种:
(1)开普勒周期T0:即卫星瞬时半长轴a(t)决定的周期。
开普勒周期的轨道平均运动记为n0。由于半长轴在J2摄动下的累积摄动量为0,即开普勒周期的变化也为0。
(2)近点角周期Ta:由于近地点幅角进动,卫星相邻两次通过近地点的时间差被称为近点角周期(anomalistic period),近点角周期与开普勒周期的关系为
nTa=n0T0 (3.1.2)
(3)交点周期Td:由于轨道面进动,卫星在连续两次经过升/降交点的时间差被称为交点周期(nodal period)或天龙周期(draconitic period),交点周期与近点角周期的关系为
n'Td=nTa (3.1.4)
其中n’是交点周期的平均运动,表达式为
因此交点周期Td可写为
对于一般太阳同步轨道和用于返回式航天器的中等倾角轨道设计,交点周期已经可以满足设计需求,因为星下点轨迹需要经过多圈才能闭合,实现轨道回归。但对于赤道轨道而言,近地点俯角和升交点赤经的进动都发生在赤道面内,卫星的星下点在经过开普勒周期、近点角周期、交点周期后都不能严格回到初始星下点在赤道上的位置。
因此引入赤道轨道卫星的惯性空间回归周期概念,定义为顺行/逆行赤道轨道在惯性空间中绕地心转过360°的时间。
惯性空间回归周期T可以通过如下方式计算:
在经过一个交点周期后,赤道轨道卫星实际绕地心转过的角度为
J2摄动下的交点进动速率与-cosi正相关,即倾角小于90°轨道面西退,倾角大于90°轨道面东进,在赤道轨道情况下,顺行赤道轨道的交点是西退的,而逆行赤道轨道的交点是东进的。
由于在T时间内卫星绕地心转过2π,则有
即
代入前述Td,可最终计算出T的表达式为
在考虑J2摄动的情况下,对(3.1.10)式代入:
以及偏心率e=0,可得
其中R=6378.137km为地球赤道半径,μ=398600.44km3/s2为地心引力常数,J2摄动常数为1.0826×10-3。
2.N小时赤道回归轨道设计
由于赤道轨道的高重访特性,可以实现对低纬度目标的单星单日多次重访,通过对赤道轨道的设计,可以实现在每天的多个固定地方时对低纬度目标进行观测及数据传输。在此提出一种赤道回归轨道的设计方法。
引入N小时回归赤道轨道概念,定义为从赤道上某起始点开始,经过N小时,星下点第一次回到该点。
2.1顺行轨道
顺行轨道的设计方法如图1所示。T为惯性空间回归周期,地球自转角速度为ωe,地球自转周期Tsd=86164.0989s,平太阳日Tmsd=86400s。N为回归小时数,N>1.5且24/N为正整数。
如果要卫星在N小时后回到同一星下点位置,则:
可以解得:
对于地球自转周期,有:
ωe·Tsd=2π (3.2.1.3)
则可设平太阳日与地球自转周期的比为:
地球在一平太阳日内转过的角度为:
ωe·Tmsd=2πγ (3.2.1.5)
则所设计的顺行N小时回归轨道的惯性空间回归周期为:
2.2逆行轨道
逆行轨道的设计方法如图2所示。T为惯性空间回归周期,地球自转角速度为ωe,地球自转周期Tsd=86164.0989s,平太阳日Tmsd=86400s。N为回归小时数,N>1且24/N为正整数。
如果要卫星在N小时后回到同一星下点位置,则:
可以解得:
代入顺行轨道设计中约定的符号,则所设计的逆行N小时回归轨道的惯性空间回归周期为:
2.3轨道计算
对顺行轨道,联立(3.1.14)和(3.2.1.6)式;对逆行轨道,联立(3.1.14)和(3.2.2.3)式,可求得给定回归周期N小时下的赤道轨道半长轴。给出特定回归周期下的赤道轨道高度:
表3.2.3.1特殊顺行回归赤道轨道数据
N/小时 | 轨道高度/km | 轨道周期/秒 |
2 | 1272.51 | 6644.75 |
3 | 3391.67 | 9597.08 |
4 | 5169.95 | 12338.03 |
4.8 | 6410.83 | 14393.43 |
6 | 8068.94 | 17270.54 |
8 | 10382.9 | 21585.23 |
12 | 13921.3 | 28773.74 |
24 | 20211.1 | 43140.94 |
∞ | 35786.036 | 86164.10 |
表3.2.3.2特殊逆行回归赤道轨道数据
N/小时 | 轨道高度/km | 轨道周期/秒 |
1.5 | 592.898 | 5761.05 |
2 | 2184.1 | 7856.50 |
3 | 5183.56 | 12347.69 |
4 | 8085.56 | 17289.47 |
6 | 13950.3 | 28826.31 |
8 | 20263.0 | 43259.22 |
12 | 35944.4 | 86637.21 |
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种星下点定时回归的赤道轨道半长轴确定方法,其特征在于,包括步骤如下:
1)根据赤道轨道卫星一天内通过赤道上任一给定经度的次数X,确定卫星的星下点回归周期小时数N;所述卫星轨道为顺行赤道圆轨道或逆行赤道圆轨道;
2)判断所述卫星轨道为顺行赤道圆轨道或逆行赤道圆轨道,若所述卫星轨道为顺行赤道圆轨道,进入步骤3),若所述卫星轨道为逆行赤道圆轨道,则进入步骤5);
3)根据步骤1)确定的所述星下点回归周期小时数N,确定卫星在惯性空间内的回归周期T,然后进入步骤4);
4)根据步骤3)所述卫星在惯性空间内的回归周期T,确定卫星轨道半长轴a0;
5)根据步骤1)确定的所述星下点回归周期小时数N,确定卫星在惯性空间内的回归周期T,然后进入步骤6);
6)根据步骤5)所述卫星在惯性空间内的回归周期T,确定卫星轨道半长轴a0。
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