人造卫星的轨道设计
为什么有各种形状的卫星轨道
为什么人造地球卫星的轨道有各种形状？东方星人造地球卫星的轨道似乎有各种形状，但如果你仔细观察以后会发现，它们主要呈现圆形和椭圆形两种，其中圆轨道是椭圆轨道的特殊情况。
人造地球卫星的轨道形状与人造地球卫星入轨时的速度和方向有关，究竟采用哪种形状的轨道，则是由人造地球卫星的功能和用途决定的。
1运行轨道形状与航天器速度有关人造地球卫星的轨道是人造地球卫星绕地球运行的轨道。
它呈一条封闭的曲线。
这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面，轨道平面的特征是总是通过地心的。
要回答人造地球卫星的轨道形状问题，首先应该了解三个宇宙速度的基本概念。
众所周知，航天器（包括人造地球卫星、载人航天器、空间探测器）要离开地面进入太空需达到一定速度，这样才能克服地球的引力而不落到地面。
理论和实践都已证明，在航天器的飞行速度达到7.9千米/秒时，它可以环绕地球运转。
一般把航天器在地球轨道飞行的速度叫环绕速度，7.9千米/秒也叫第一宇宙速度。
当航天器的飞行速度达到11.2千米/秒时，它就可以脱离地球轨道，成为围绕太阳运行的人造行星，或者飞向太阳系的其他星球上去。
一般把脱离地球轨道飞行的速度叫脱离速度或逃逸速度, 11.2千米/秒也叫第二宇宙速度。
如果航天器的飞行速度达16.6千米/秒, 它就可以脱离太阳系，到其他恒星世界去，16.6千米/秒也叫第三宇宙速度。
根据万有引力定律，两个物体之间引力的大小与它们的距离平方成反比。
因此，人造地球卫星离地球中心的距离不同，其环绕速度(第一宇宙速度)和脱离速度(第二宇宙速度)有不同的数值，轨道越高，速度越低。
例如，它在200千米高轨道飞行的环绕速度是7.790千米/秒，脱离速度是11.016/千米/秒；它在35800千米高轨道飞行的环绕速度是3.076千米/秒，脱离速度4.348/千米/秒。
如果环绕速度减小，人造地球卫星的轨道高度就会降低，直至坠入大气层烧毁。
航天器与运载火箭分离后入轨点的轨道速度叫入轨速度。
人造地球卫星在圆轨道上运行PPT课件
T 2 r3
GM 地
23.14
6.67
(6.37106 )3 1011 5.981024
s
5 .0 6 1 0 3 s 8 4 .3 m in
我们能否发射一颗周 期为80min的卫星？
2020/11/21
四、人造卫星的超重和失重
1、发射和回收阶段
发射 加速上升 超重
回收 减速下降 超重
2、沿圆轨道正常运行
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谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
It'S An Honor To Walk With You All The Way
讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
地球同步卫星的特点:
1、所有的同步卫星只能分布在赤道正上 方的一个确定轨道上，即同步卫星轨道 平面与地球赤道平面重合，卫星离地面
高度为定值 5.6R地 。
2、对同步卫星：
其r、h、v、ω、T 、g'均为确定值
2020/11/21
极地轨道
人 造 卫 星 的 轨 道
同步 轨道
倾斜 轨道
赤道轨道Hale Waihona Puke 自转轴2020/11/21
二、宇宙速度
1、第一宇宙速度： (环绕速度）人造卫星
v1
GM 7.9km/s R
V3=16.7km/s V2=11.2km/s
法 二 ： v1gR7.9km /s
2、第二宇宙速度：
地球
V1=7.9km/s
(脱离速度)
→人造行星 v2 11.2km/s
11.2km/s>v>7.9km/s
2020/11/21
一、人造卫星的发射原理
202牛0/11顿/21 设想：抛出速度很大时，物体就不会落回地面
嫦娥一号月球探测卫星轨道设计 (1)
V ol. 16 N o. 6 航天器工程第16 卷第6 期16 SPA CECR AF T EN GIN EERIN G嫦娥一号月球探测卫星轨道设计杨维廉周文艳( 北京空间飞行器总体设计部, 北京100094)2007 年11 月摘要嫦娥一号卫星航天使命的主要科学目标是对月球及月地空间进行多种遥感探测, 航天使命设计的主要和基本的部分是卫星飞行轨道的设计, 其中包括在飞行过程中的轨道控制策略的设计。
嫦娥一号的这条飞行轨道由三大部分组成: 第一部分是绕地飞行的调相轨道, 它们由周期为16h、24h、48h 的三段轨道组成; 第二部分是关键的地月转移轨道; 第三部分是200km 高度绕月飞行的使命轨道。
文章给出了整个飞行轨道的设计思想。
关键词月球探测调相轨道地月转移轨道使命轨道轨道控制中图分类号: V4741 3 文献标识码: A 文章编号: 1673- 8748( 2007) 06- 0016- 09Orbit Design for Lunar Exploration Satellite CE- 1YANG Weilian ZH OU Weny an( Beijing Inst itut e of Spacecraf t Syst em Eng ineer ing, Beijing 100094, China)Abstract: CE- 1 is t he f irst Chinese pr obe t o ex plore the Mo on. T he m ain scient if ic object ives ofthis mission are remo te sensing of t he mo on and t he cislunar environment invest igat ions. T he pr-im ar y and basic part of the mission design is t he o rbit desig n of w hole f lig ht process, including theorbit cont rol st rat eg y. T he f light co nsist s of t hr ee seg ment s. T he first is phasing o rbit s segm entw hich includes t hr ee orbits w ith periods of 16, 24 and 48 hours; T he second is t ranslunar- t rajecto-r y being key part of t he f light . T he last segm ent is a mission orbit which is cir cular one w it h alt -it ude o f 200km and inclination of 90 degr ee t o lunar equat or.Key words: lunar explorat ion; phasing orbit ; t ranslunar- t rajecto ry; mission or bit ; orbit cont rol超GT O 轨道, 轨道周期为151 81h。
人造地球卫星的运行轨道
人造地球卫星的运行轨道夜晚，人们常常会看到明亮的星在天幕群星之间匆匆穿行，不久便消失在远方的天空。
这就是人造地球卫星。
人造地球卫星沿着一定的轨道围绕地球运行。
从这一点上看，它与月球很相像，属于以地球为中心的天体系统。
但是，人造地球卫星与所有的天然天体不同，它是人工研制和发射到运行轨道上的一种空间飞行器（或航天器），是按照人的意志、为了人们的某种目的沿轨道运行的特殊天体。
人造卫星体积很小，根本不能与月球相比。
它与地球的距离也比月地距离小得多，即使距地面最远的人造卫星，其近地点高度，也不及月地最近距离的十分之一。
由于人造卫星离地球较近，所以，在地球上只有天黑后不久和黎明前的一段时间内，才能看到它们。
深夜时，也有人造卫星从天空经过，然而，由于完全掩没于地球的黑影之中，人们是无法看到它们的。
这些人造卫星飞行的方向是各不相同的。
人造卫星的飞行方向不同，表明它们各自的轨道平面与赤道平面有着不同的夹角。
人造地球卫星运行轨道所在的平面，叫做轨道平面。
所有人造卫星的轨道平面都通过地心。
轨道平面与地球赤道平面的夹角，叫做轨道倾角。
根据轨道倾角，人造地球卫星的轨道有顺行轨道、逆行轨道、极轨道和赤道轨道等几种。
朝偏东向运行的卫星，轨道倾角小于90°，称为顺行轨道。
沿这种轨道运行的卫星，在发射过程中，运载火箭是朝偏东方向飞行的。
由于发射时利用了地球自转的一部分速度，因此比较节省能量。
世界上早期发射的人造卫星，大部分是属于这种类型的。
卫星沿南北方向运行，轨道倾角等于90°，称为极轨道。
极轨道平面不仅通过地心，而且通过地球的南、北两极。
由于地球不断地自转，因此，沿这种轨道运行的人造卫星，能从地球的任何上空通过。
卫星向偏西方向运行，轨道倾角大于90°，称为逆行轨道。
沿这种轨道运行的人造卫星，在发射过程中，运载火箭是朝偏西方向飞行的。
由于发射时需要抵消地球自转的一部分速度，因此，消耗的能量比较多。
卫星向正东方向运行，轨道倾角等于0°，称为赤道轨道。
人造卫星轨道概论
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地球 交点线 赤道面
轨道面
第二讲 卫星轨道概论 >第二节 运行轨道的基本概念
（2）右旋升交点赤经Ω，是卫星轨道面和赤道面 右旋升交点赤经Ω 的交线与地心和春分点连线间的夹角。 的交线与地心和春分点连线间的夹角。它是描述轨 道平面在空间方向的另一个参数，其取值范围是0 道平面在空间方向的另一个参数，其取值范围是0 ～2 π。
第二讲 卫星轨道概论 >第二节 运行轨道的基本概念
3.空间参考坐标系 3.空间参考坐标系
• 空间参考坐标系是描述卫星运动轨道、表 空间参考坐标系是描述卫星运动轨道、 示飞行器运动状态的数学物理基础。 示飞行器运动状态的数学物理基础。 • 常用的空间参考坐标系有两类： 常用的空间参考坐标系有两类：
– 惯性坐标系：在空间固定的，与地球自转无关， 惯性坐标系：在空间固定的，与地球自转无关， 它在空间的位置和方向应保持不变或仅作匀速 运动，对描述各种飞行器的运动状态极为方便； 运动，对描述各种飞行器的运动状态极为方便； – 与地球固联的坐标系：对于描述飞行器相对于 与地球固联的坐标系： 地球的运动尤为方便。 地球的运动尤为方便。
t1+∆t t2 t2+∆t
∆S1 ∆S2
11
t1
E 地球
∆S1= ∆S2
第二讲 卫星轨道概论 >第二节 运行轨道的基本概念
开普勒三大定律
•第三定律（周期律）：卫星运转周期的平 第三定律（周期律） 第三定律 方正比于卫星到地球平均距离（ 方正比于卫星到地球平均距离 （ 即轨道半 长轴） 的立方， 长轴 ） 的立方 ， 或者说卫星运转周期的平 方与卫星到地球平均距离的立方之比为一 常数，而该常量等于地球引力常数GM的倒 常数，而该常量等于地球引力常数 的倒 表达式为： 数。表达式为：
航空航天工程中的航天器轨道设计方法探讨
航空航天工程中的航天器轨道设计方法探讨在航空航天工程中，航天器轨道设计是一个关键的环节。
它决定了航天器的飞行路径和行进速度，对于任务的顺利执行和安全性至关重要。
本文将探讨航天器轨道设计的方法和考虑因素。
航天器轨道设计的方法有多种，其中最常见的方法包括圆形轨道、椭圆轨道和地球同步轨道。
圆形轨道是指航天器绕地球运行的轨道呈圆形，轨道高度和速度相对稳定，适用于太空观测和通信卫星。
椭圆轨道是指航天器绕地球运行的轨道呈椭圆形，轨道高度和速度变化较大，适用于地球探测和人造地球卫星。
地球同步轨道是指航天器绕地球运行的轨道与地球自转周期相同，使得航天器能够始终停留在同一个地理位置上，适用于通信卫星和气象卫星。
在航天器轨道设计中，有多个因素需要考虑。
首先是任务目标和要求。
不同的任务需要不同的轨道类型和参数，如观测任务需要稳定的轨道高度和速度，通信任务需要地球同步轨道。
其次是航天器的性能和能力。
航天器的能量和推力决定了它能达到的轨道高度和速度，对于长时间任务或深空探测，需要更高的能力和更大的运载能力。
此外，地球自转和重力潮汐也需要考虑，它们对轨道的影响可能需要进行校正和调整。
航天器轨道设计还需要考虑对地球的影响。
航天器的运行轨道会对地球产生一定的影响，如引起大气层摩擦和空间垃圾产生。
为了减少对地球的影响和延长航天器的寿命，轨道设计需要考虑环境保护和可持续发展的因素。
例如，控制轨道高度和速度，避免与其他卫星或空间器件碰撞，提高航天器的维修和保养能力。
航天器轨道设计还需要考虑飞行的动态特性和航天器的控制能力。
航天器在轨道中的飞行是一个动态过程，需要考虑空气阻力、重力场和姿态控制等因素。
轨道设计需要合理安排航天器的轨道和速度，以适应飞行动态变化，并保证航天器的稳定和控制能力。
除了上述因素，航天器轨道设计还需要考虑其他一些因素，如地球地理条件、太阳活动和电磁辐射等。
这些因素会对轨道的稳定和安全性产生影响，需要进行综合考虑和优化设计。
人造卫星的运动轨迹
2
人造卫星的轨道高 度
低地球轨道
特点：速度快，周期短，适 合进行地球观测和通信任务
定义：距离地球表面2002000公里的轨道
应用：主要用于气象卫星、 通信卫星和导航卫星等
优势：低地球轨道上的卫星 可以更快地传输数据，减少
信号延迟
中地球轨道
定义：距离地球表面2000-35000公 里的轨道
06 人 造 卫 星 的 运 动 轨 迹特点与意义
1
人造卫星的轨道类 型
圆形轨道
特点：轨道高度和速度保持 不变，周期固定
定义：人造卫星在轨道上绕 地球做匀速圆周运动
应用：通信卫星、气象卫星 等
优点：易于控制，稳定性好， 适合长期观测和通信任务
椭圆形轨道
定义：人造卫星在太空中沿椭圆 形轨道运行的轨迹
拉格朗日点轨道：一些空间探测器的轨 道形状，用于观测特定天体或进行星际 探测
运动轨迹的意义
卫星定位：通过分析卫星 的运动轨迹，可以确定卫 星的位置和速度，从而实
现卫星定位和导航。
通信：卫星的运动轨迹可 以影响通信信号的传播和 接收，因此了解卫星的运 动轨迹对于优化通信系统
具有重要意义。
气象观测：卫星的运动轨 迹可以帮助科学家了解地 球大气层的变化，从而为 气象预报和气候研究提供
重要数据。
空间探测：卫星的运动轨 迹可以提供有关太阳系其 他天体的信息，有助于科 学家开展空间探测和研究。
THANKS
汇报人：XX
应用：轨道周期的计算对于卫星的轨道设计和控制具有重要意义
倾角
定义：人造卫星 轨道平面与地球 赤道平面的夹角
范围：0°至90°
影响：影响卫星 的覆盖范围和观 测效果
调整：通过改变 火箭发射的角度 来调整卫星的倾 角
第3章轨道设计及选择
空间飞行器总体设计
§ 3.2 卫星轨道的基本概念
1 二体问题
首先，作两个简化假设： (1)物体为球对称的，这样就可以把物体看作质量集中在其中心。 (2)除了沿两物体中心连线作用的引力外，没有其他外力和内力作 用。 即在忽略其他天体引力和稀薄大气对卫星阻力以及把地球视作质 量分布中心对称的正球体时，卫星－地球系统可简化成两个质点组成 的系统，即可把它们简化成二体问题。
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、转移轨道，还可能有最终的报废处理轨道。
在任务设计早期，主要精力是确定航天器的工作轨道。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 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 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。
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 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 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
§ 3.1 轨道设计过程
空间飞行器总体设计
§ 3.2 卫星轨道的基本概念
3 轨道要素
2）轨道参数的实际意义 ① 确定卫星轨道平面在空间的方位：由轨道倾角i和升交点赤经Ω确定。 当轨道倾角i=0° 时，称为赤道轨道；当i＝90°时，称为极轨道；当 0°<i<90°时，航天器运行方向与地球自转方向相同，称为顺行轨道； 当 90°<i<180°时，航天器运行方向与地球自转方向相反，称为逆 行轨道。 ② 确定椭圆长轴在轨道平面上的指向：由近地点幅角ω确定。
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人造卫星的轨道设计
随着现代科技的发展，人造卫星已经成为了现代社会中非常重要的一部分。
人造卫星的轨道设计就显得尤为重要，它将直接影响到人造卫星的工作能力和寿命。
本文将介绍人造卫星的轨道设计以及相关的技术和原理。
一、什么是人造卫星的轨道？
人造卫星的轨道是指每颗卫星在空间中运行的路径。
卫星的轨道可能是圆形、椭圆形、或者其他形状，轨道的形状和位置取决于卫星的用途以及需要观测或通信的地区。
人造卫星的轨道由轨道高度、轨道倾角、轨道形状、轨道方向等因素决定。
二、轨道高度
轨道高度是指卫星在地球或其他天体表面以上的距离。
轨道高度越高，卫星运行的速度就越慢。
目前，低轨道和静止轨道是最常见的两种人造卫星轨道。
低轨道：
轨道高度为1000公里以下，速度约为每秒7.9千米，飞行时间
约为90分钟。
低轨道的优点是其低延迟，适合用于通信和观测等
任务。
同时，低轨道的大气摩擦对卫星造成的损害较大，寿命较短，需要频繁地更换卫星。
静止轨道：
轨道高度为地球赤道半径以上的距离，高度约为3.6万公里，
速度为每秒3千米，飞行时间约为24小时。
静止轨道的优点是能
够覆盖一个大范围的地区，适用于通信、天气预报等任务。
静止
轨道的大气摩擦对卫星的影响较小，可以保证卫星的寿命。
三、轨道倾角
轨道倾角是指卫星轨道平面与地球赤道平面之间的夹角。
轨道
倾角越小，卫星越容易进入一些狭窄的地域，如北极或南极地区。
而轨道倾角大的卫星则更适合对赤道地区进行观测或通信。
一些
商业通信卫星，由于需要覆盖全球各地，通常采用倾角为零的静
止轨道。
四、轨道形状
轨道形状通常被描述为圆形或椭圆形。
圆形轨道在轨道高度越高的情况下，更容易实现。
而椭圆形轨道能够实现更多的应用，因为它允许卫星在一段时间内离地球较远，然后在另一段时间内逼近地球。
这种椭圆形轨道被称为高椭圆轨道。
一些卫星，例如地球观测卫星，通常采用高椭圆轨道。
五、轨道方向
轨道方向是指卫星绕行轨道时运动的方向。
人造卫星轨道可以是地球固定轨道（即卫星轨道平面与地球赤道平面重合），也可以是地球自转轨道（即轨道倾角与赤道平面夹角不为零）。
六、轨道设计原理
人造卫星的轨道设计的目标是尽可能利用卫星的能力，并使卫星的寿命最大限度地延长。
轨道设计过程通常涉及以下几个主要方面：
1、动力学分析：拟定卫星的工作任务，并通过数学模型来进行卫星的降落和发射计算。
2、技术比较：根据不同任务的需要，比较使用不同类型卫星的技术和成本差异，确定卫星的类型。
3、外在环境：将卫星的轨道位置，卫星的寿命，卫星的能力等因素融入轨道设计过程中，对卫星的状态进行评估。
4、成本评估：评估轨道设计成本，并根据成本与任务之间的平衡来做出最后定型的决定。
七、结论
人造卫星的轨道设计对卫星的任务和寿命至关重要。
通过对轨道高度，轨道倾角，轨道形状，轨道方向等因素的综合考虑，可以设计出最适合各种任务的卫星轨道。
轨道设计的过程不仅要考虑成本、环境因素，还要考虑卫星驻留地点所涉及的法律和道义责任。