卫星轨道及其参数

卫星轨道通常使用GNSS的坐标系描述,即地心赤道坐标系。此坐标系定义如下

  1. 原点在地心
  2. 基准面为赤道面(地球自转平面)
  3. X轴指向春分点(赤道面与黄道面1的两个交点之一)
  4. Z轴指向地球北极
  5. Y轴按照右手定则确定,四指由Z弯向X

一个卫星或是天体的运行轨道可以通过六个参数加以描述,参见下表

参数名 定义
轨道半长轴(a) 指卫星椭圆轨道长轴的一半,有时可以认为是平均轨道半径
轨道偏心率(e) 为椭圆扁平程度的一种量度,定义是椭圆两焦点间的距离与长轴长度的比值
轨道倾角(i) 行星轨道面对赤道面的倾角;在升交点处从赤道面逆时针方向量到行星轨道面的角度
升交点经度(赤经Ω) 升交点(the Ascending Node)是指卫星沿轨道从地球南极向北运动时与地球赤道面的交点。此交点的经度即为升交点经度,或者赤经
近地点幅角(角距ω) 近地点(Perigee)指航天器绕地球运行的椭圆轨道上距地心最近的一点。近地点幅角是指轨道近地点与升交点之间对地心的张角。沿卫星运动方向从升交点量测到近地点,取值范围为0°-360°
平近点角 平近点角(Mean Anomaly)基于一个虚拟的圆形运转轨道,其作用是提供一个数据,可以用于快速比较轨道上运动物体不同时刻的相对位置距离。其定义如下,考虑一个天体的开普勒轨道,即一个椭圆轨道,在其之上运转的物体一周所需时间为T,则其平均运动角速度为v=2π/T,以其近拱点2 为0度位置,若t0时刻物体在近拱点,则t时间后,其平近点角M的值为v(t-t0)。注意,平近点角不是物体的真实位置角度,是运转在虚拟圆形轨道上的(以椭圆轨道长轴中点为圆心,半长轴为半径的辅助圆),根据定义,在此圆上速度匀定,所以不同时刻的位置距离正比与时间间隔,这极大简化了位置比较所需的计算需求。真实体现物体实际位置角度的参数被称为真近点角3
     

卫星轨道及其参数_第1张图片

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轨道六根数


  1. 黄道面(ecliptic plane):是指地球绕太阳公转的轨道平面,与地球赤道面交角为23°26’。由于月球和其它行星等天体的引力影响地球的公转运动,黄道面在空间的位置总是在不规则地连续变化
    卫星轨道及其参数_第2张图片 ↩︎

  2. 近拱点(periapsis):是指开普勒轨道上的特定位置,还有一个远拱点(apoapsis)与其搭配使用。一个天体围绕另一个天体运转的轨道被称为开普勒轨道,根据开普勒第一定律,该轨道为椭圆轨道,且被围绕的天体(运动中心)位于椭圆的一个焦点F上,例如,地球围绕太阳运动的轨道,太阳即在轨道的一个焦点上。近拱点是指轨道上离运动中心(焦点F)最近的位置,远拱点是指轨道上离运动中心最远的位置,具体到实际的轨道,这两个名词还会有相应的特指名字,例如围绕太阳运动的轨道(太阳系行星轨道),分别特指为近日点和远日点,围绕地球运转的轨道(地球卫星轨道),分别特指为近地点和远地点,等等 ↩︎

  3. 真近点角(True anomaly): 真近点角,是指从天体的运转中心去看,天体当前所在轨道位置与近拱点之间的夹角。如下图所示,图中的红色轨道是天体的实际运转轨道,为椭圆形,点F是其运转中心,即椭圆轨道的一个焦点,点C是椭圆长轴中点,则A点是近拱点。某一个时刻,天体位置在P点,此时该天体的真近点角即为∠AFP,即图中的角f
    卫星轨道及其参数_第3张图片 ↩︎

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