大椭圆轨道卫星和极轨道卫星

卫星轨道参数详解⽬录⼀.卫星根数1.1 六根数1.2 卫星星历两⾏根数（TLE(two line element)）tle1:tle2:1.3 航天器的运⾏轨道分类1.4轨道速度的计算⼀.卫星根数1.1 六根数⼈造卫星轨道六要素（也称为轨道六根数）是⽤于表征卫星轨道形状、位置及运动等属性的参数，可⽤来确定任意时刻卫星的轨道和位置。

通常的轨道六根数指的是：半长轴a、离⼼率e、轨道倾⾓i、近⼼点辐⾓ω、升交点经度Ω和真近点⾓φ。

六根数中，前2项确定了轨道形状，第3、4、5项确定了轨道平⾯所处的位置，第6项确定了卫星在轨道中当前所处位置（注意：第6项除了⽤真近点⾓来表征外，还常常⽤平近点⾓、过升交点时刻、过近地点时刻等参量表征，其效果是等价的。

六根数⽰意图半长轴a:这个根数决定了卫星轨道形成的椭圆长半轴的长度，及轨道的⼤⼩。

同时，这个根数也决定了发射卫星到这个轨道需要多少能量，因为根据活⼒公式，⼀个确定轨道的机械能是固定的。

不同任务类型的卫星，或者运载约束，⼯作在不同的轨道⾼度上。

发射到不同轨道所需要的能量都需要依靠半长轴来计算。

如下图所⽰，飞得越⾼的卫星速度越慢，也是依据半长轴计算⽽来的。

偏⼼率e:跟椭圆的扁率是⼀个意思，代表轨道偏⼼的程度。

偏⼼率近似等于0的轨道⼀般称为近圆轨道，此时地球的质⼼⼏乎与轨道⼏何中⼼重合。

偏⼼⼤于0⼩于1，轨道就呈椭圆状，偏⼼率越⼤轨道越扁。

轨道倾⾓i:即轨道平⾯与⾚道平⾯之间的夹⾓，⽤于描述轨道的倾斜程度，简单地说就是轨道平⾯相对于地球⾚道平⾯是躺着的还是⽴着的或者是斜着的。

卫星轨道的倾⾓决定了卫星星下点所能覆盖的地理⾼度，并对发射场和运载⽕箭的运⼒形成硬性约束。

具体⽽⾔，若想卫星⾏下点轨迹覆盖⾼纬度地区，则卫星轨道倾⾓不能⼩于该纬度；发射场的纬度不能⾼于卫星轨道倾⾓；在半长轴和发射场相同的情况下，运载⽕箭发射倾⾓更⾼的卫星需要提供更多的能量。

升交点⾚经Ω：理解这个轨道根数需要在称为惯性系的三维空间中进⾏。

卫星问题分析1(高中物理10大难点突破)一、难点形成原因：卫星问题是高中物理内容中的牛顿运动定律、运动学基本规律、能量守恒定律、万有引力定律甚至还有电磁学规律的综合应用。

其之所以成为高中物理教学难点之一，不外乎有以下几个方面的原因。

1、不能正确建立卫星的物理模型而导致认知负迁移由于高中学生认知心理的局限性以及由牛顿运动定律研究地面物体运动到由天体运动规律研究卫星问题的跨度，使其对卫星、飞船、空间站、航天飞机等天体物体绕地球运转以及对地球表面物体随地球自转的运动学特点、受力情形的动力学特点分辩不清，无法建立卫星或天体的匀速圆周运动的物理学模型（包括过程模型和状态模型），解题时自然不自然界的受制于旧有的运动学思路方法，导致认知的负迁移，出现分析与判断的失误。

2、不能正确区分卫星种类导致理解混淆人造卫星按运行轨道可分为低轨道卫星、中高轨道卫星、地球同步轨道卫星、地球静止卫星、太阳同步轨道卫星、大椭圆轨道卫星和极轨道卫星；按科学用途可分为气象卫星、通讯卫星、侦察卫星、科学卫星、应用卫星和技术试验卫星。

由于不同称谓的卫星对应不同的规律与状态，而学生对这些分类名称与所学教材中的卫星知识又不能吻合对应，因而导致理解与应用上的错误。

3、不能正确理解物理意义导致概念错误卫星问题中有诸多的名词与概念，如，卫星、双星、行星、恒星、黑洞；月球、地球、土星、火星、太阳；卫星的轨道半径、卫星的自身半径；卫星的公转周期、卫星的自转周期；卫星的向心加速度、卫星所在轨道的重力加速度、地球表面上的重力加速度；卫星的追赶、对接、变轨、喷气、同步、发射、环绕等问题。

因为不清楚卫星问题涉及到的诸多概念的含义，时常导致读题、审题、求解过程中概念错乱的错误。

4、不能正确分析受力导致规律应用错乱由于高一时期所学物体受力分析的知识欠缺不全和疏于深化理解，牛顿运动定律、圆周运动规律、曲线运动知识的不熟悉甚至于淡忘，以至于不能将这些知识迁移并应用于卫星运行原理的分析，无法建立正确的分析思路，导致公式、规律的胡乱套用，其解题错误也就在所难免。

电子侦察卫星系统
“大酒瓶”静止轨道卫星、“雪貂”-D极地轨道卫星和“折叠椅”大椭圆轨道卫星等8颗卫星组成成像侦察卫星系统
由KH-12、“长曲棍球”、“太阳神”-l和其它小卫星等10～12颗卫星组成的
16颗海洋监视卫星系统以及“国防支援计划”（DSP）等30多颗卫星，
为美军提供了大量的情报资料
从性能上讲主要分为6类，即侦察卫星、导弹预警卫星、海洋监视卫星、通信卫星、测地和绘图卫星及国防气象卫星
侦察卫星
成像侦察卫星
电子侦察卫星
二、导弹预警卫星
三、海洋监视卫星
四、通信卫星。

卫星运行轨道与发射速度的关系摘要卫星在开普勒椭圆轨道上运行时，满足二体问题运动规律。

只要知道 6个常数就能确定卫星的运动。

本文以椭圆的基本知识为入手，求出椭圆运动的周期，再引入到现实生活，以“嫦娥一号”的几次变轨为例，演示卫星椭圆轨道的运行规律，最后对椭圆运动的其他一些小规律作总结。

关键词：卫星；椭圆运动；角动量守恒AbstractSatellites meet the two-body problem when they run in Keplerian elliptical orbit.The movement of satellites can be known as long as you could know 6 constants.The basic knowledge of Ellipse will be the beginning of this article,then obtained the cycle of ellipse motions and ues it in real life.I will use the case of “Chang E number one” to demonstrate the operation of law of elliptical orbit satellites,at last,a summary for the another law of the ellipse motions is proposed.Key words:satellite;sllipse motion;conservation of angular momentum目录摘要 (1)Abstract (2)目录 (3)第一章引言 (4)第二章关于卫星的基本概念与分类 (5)第三章椭圆的基本知识 (6)第四章卫星在椭圆轨道上运动到任何一点的加速度和向心加速度 (7)第五章椭圆轨道的运动周期 (8)第六章圆轨道和椭圆轨道之间的变换 (9)第七章椭圆运动的决定参数 (10)结论 (12)致谢 (13)参考文献 (14)第一章引言1970年4月24日，中国成功地研制并发射了第一颗人造地球卫星“东方红一号”，成为世界上第五个独立自主研制和发射人造地球卫星的国家。

教学研究新课程NEW CURRICULUM天体的运行问题是高考的热点问题，在椭圆轨道和变轨问题上，中学阶段基本上都是做定性解释，很少做定量计算，且在教学实践中，一些学习优秀、善于思考的学生往往会在此类问题上提出更深层次的问题，如卫星在椭圆轨道的近、远地点的向心加速度大小和不同轨道的向心加速度、速度大小怎么比较？在用F n =m v 2r、a n =v 2r求解时，在近、远地点的“r ”到底是哪个量？怎么求？虽然学生提出的问题有的已经超出中学生应当掌握的范围，但是从激励学生的探究需求出发，对一些优秀的学生在这些问题上可适当做些拓展，况且作为授业解惑的教师，也需要对这些问题有个清楚的认识。

可是在教学实践中发现一些教师由于在这些问题上认识不清甚至根本不知道，经常被学生问得手足无措而避而不谈或者作出错误解释，一些材料在这些问题上的解释往往也是模棱两可。

若想对椭圆轨道的有关问题进行定量计算，首先必须对椭圆的曲率和曲率半径等有关知识有清晰的认识。

一、椭圆的曲率半径1.曲线的曲率和曲率半径曲率是描述曲线弯曲的程度，曲线y =f （x ）（设x =Φ（t ），y =φ（t ））的曲率的计算公式为k =x ′y ″-x ″y ′x ′2+y ′2[]32。

如图1所示，设k （k ≠0）为曲线y=f （x ）在点M 处的曲率，圆C 与曲线相切于M 点，若CM=R =1k ，圆C 称为曲线在点M 的曲率圆，圆C 的半径R 则称为曲线在点M 的曲率半径。

故曲率半径的计算公式为：R =1k =x ′2+y ′2[]32x ′y ″-x ″y ′—————①（1）2.椭圆的曲率半径如图2，a 是椭圆的半长轴，b 是椭圆的半短轴，椭圆的参数方程为：x=a cos θ，y=a sin θ。

把x ′=-a sin θ、x ″=-a cos θ、y ′=b cos θ、y ″=-b sin θ代入①式得：R =（a 2sin 2θ+b 2cos 2θ）32ab，取不同的θ值可以求得椭圆不同位置的曲率半径，比如把P （θ=0）和Q （θ=π）代入椭圆曲率半径公式可得：P 、Q 两点的曲率半径均为b 2a，A 、B 两点的曲率半径均为a 2b 。

人造卫星人造卫星（Manmade Satellite）:环绕地球在空间轨道上运行（至少一圈）的无人航天器。

人造卫星基本按照天体力学规律绕地球运动，但因在不同的轨道上受非球形地球引力场、大气阻力、太阳引力、月球引力和光压的影响，实际运动情况非常复杂。

人造卫星是发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。

人造卫星发射数量约占航天器发射总数的90％以上。

人造卫星的简介卫星，是指在宇宙中所有围绕行星轨道上运行的天体，环绕哪一颗行星运转，就把它叫做哪一颗行星的卫星。

比如，月亮环绕着地球旋转，它就是地球的卫星。

“人造卫星”就是我们人类“人工制造的卫星”。

科学家用火箭把它发射到预定的轨道，使它环绕着地球或其他行星运转，以便进行探测或科学研究。

围绕哪一颗行星运转的人造卫星，我们就叫它哪一颗行星的人造卫星，比如最常卫星公司的人造卫星模拟图用于观测、通讯等方面的人造地球卫星。

地球对周围的物体有引力的作用，因而抛出的物体要落回地面。

但是，抛出的初速度越大，物体就会飞得越远。

牛顿在思考万有引力定律时就曾设想过，从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次离山脚远。

如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星，简称人造卫星。

人造卫星是发射数量最多，用途最广，发展最快的航天器。

1957年10月4日苏联发射了世界上第一颗人造卫星。

之后，美国、法国、日本也相继发射了人造卫星。

我国于1970年4月24日发射了自己的第一颗人造卫星‘东方红一号’。

截止1992年底中国共成功发射33颗不同类型的人造卫星。

人造卫星一般由专用系统和保障系统组成。

专用系统是指与卫星所执行的任务直接有关的系统，也称为有效载荷。

应用卫星的专用系统按卫星的各种用途包括：通信转发器，遥感器，导航设备等。

科学卫星的专用系统则是各种空间物理探测、天文探测等仪器。

技术试验卫星的专用系统则是各种新原理、新技术、新方案、新仪器设备和新材料的试验设备。

如何比较卫星在圆和椭圆等不同轨道上的运动情况四川省资中县第一中学 邓昭友中学习题常常要求同学们就卫星在不同轨道上运动的动力学情况做比较，其中难度较大的比较类问题有三个：一是卫星在圆轨道和椭圆轨道上运动情况的比较，二是在圆和椭圆轨道上经过同一个相切点位置时速度、加速度等等物理量的比较，三是涉及三个研究对象8个物理量的比较（三个研究对象分别是近地卫星、同步卫星、赤道上随地球自转的物体）。

这三大问题的比较，难度较大。

如何下手，如何比较，有何结论。

一、两种轨道六个方面的比较这里的两种轨道指卫星处在圆轨道或椭圆轨道上,比较的前提是卫星都只受到万有引飞行，返回舱于次日安全着陆。

已知飞船在太空中运行的轨道是一个椭圆，椭圆的一个焦点是地球的球心，如图1所示，飞船在飞行中是无动力飞行，只受到地球的万有引力作用，在飞船从轨道的A 点沿箭头方向运行到B 点的过程中，有以下说法：①飞船的速度逐渐增大 ②飞船的速度逐渐减小 ③飞船的机械能守恒 ④飞船的机械能逐渐增大。

上述说法中正确的是 A ．①③ B ．①④ C ．②③ D ．②④二、两种轨道经过同一相切点的几个比较主要比较4个速度3个周期3个位置的加速度。

㈠知识预讲1、为什么会出现圆和椭圆的相切点？这是轨道突然变化（轨道突变）过程中造成的。

2、卫星轨道是如何突变的？如何提升轨道？由于技术上的需要，有时要在适当的位置短时间内启动飞行器上的发动机，使飞行器轨道发生突变（即在原地原位置改变了速度和轨道），使其进入预定的轨道.如图3所示，以发射同步卫星为例，可以分多过程完成：(1)先将卫星发送到近地轨道Ⅰ，使其绕地球做匀速圆周运动，速率为v 1；(2)变轨时在P 点点火加速（喷气方向与原速度方向相反），短时间内将速率由v 1增加到v 2，使卫星进入椭圆形的转移轨道Ⅱ。

(3)从近地点P 到远地点Q 的过程中引力做负功，速率变小；动能减少势能增大，机械能守恒。

（若近地点P 的速率v 2，远地点Q 的速率为v 3，则有v 2＞v 3）。

各种各样的人造卫星人造地球卫星有它独具的优越条件。

它本身无需动力就可以在大气外层空间长时间运行，能在几百公里到几万公里高度的大范围内活动，飞越地球上的绝大部分地区，甚至全球飞行，执行航天任务。

这是大气层内任何飞行器都无法比拟的。

自从第一颗人造地球卫星问世后，世界各国都把发展航天事业放在重要地位。

迄今，有20多个国家先后共发射了4000多颗人造地球卫星。

各种应用卫星不仅成了人类的政治活动、生产劳动、科学研究、文化娱乐所不可缺少的设备，而且现在它已进入到能大量创造财富的实用阶段。

如美国制造一颗气象卫星成本只有几千万美元，而每年可收益10～20亿美元；用亿美元设置3颗资源卫星，每年可收益14亿美元。

还有各种军事卫星，在军事活动中也取得非常明显的效果。

一、通信卫星现在，人们从电视屏幕上看到世界各地生动的场景和激动人心的体育比赛场面，已习以为常。

确实，这是通信卫星的功绩才让观众大饱眼福，给千家万户带来了欢乐。

现代无线电通信有长波、中波、短波、超短波、微波等几种波段。

其中超短波〔波长10～1米〕和微波〔波长1米以下〕传输的信息量大，稳定可靠，适合于远距离通信，但是只能在“视距”范围内直线传播。

发射站OH架设的天线越高，传播的范围越远，但超过OA的距离处就无法收到，需要一个转播站O′H′来转播。

如果把转播站放到卫星上去，则传播距离就大得多。

通信卫星上装有天线、转发器等无线电传输设备。

地面发射站发出的微波信号，通过通信卫星接收、放大后，再远距离发回地面。

但是卫星不停地绕地面运行，只有地面上看到卫星时才能接收信号，因此，对某一地点来说就不能随时都能通信。

这就要求通信卫星相对于地球是静止的，才能稳定通信。

如果把卫星发射到离地面35800公里高度，那么它绕地球运行一周，正好等于地球的一天，与地球自转的速度同步，卫星相对于地球就是静止的。

这个轨道就是同步轨道。

一颗通信卫星在这个高度上可以覆盖地球外表积的三分之一。

因此，在赤道上空等距安排三颗同步通信卫星，就可以实现全球通信，成一组国际通信卫星，当然还需要配备专门的地面接收和发射站。