卫星知识专题

1 人造卫星变轨问题专题

一、人造卫星基本原理

绕地球做匀速圆周运动的人造卫星所需向心力由万有引力提供。轨道半径r确定后，与之对应的卫星线速度rGMv、周期GMrT32、向心加速度2rGMa也都是唯一确定的。如果卫星的质量是确定的，那么与轨道半径r对应的卫星的动能Ek、重力势能Ep和总机械能E机也是唯一确定的。一旦卫星发生了变轨，即轨道半径r发生变化，上述所有物理量都将随之变化（Ek由线速度变化决定、Ep由卫星高度变化决定、E机不守恒，其增减由该过程的能量转换情况决定）。同理，只要上述七个物理量之一发生变化，另外六个也必将随之变化。

在高中物理中，涉及到人造卫星的两种变轨问题。

二、渐变

由于某个因素的影响使原来做匀速圆周运动的卫星的轨道半径发生缓慢的变化（逐渐增大或逐渐减小），由于半径变化缓慢，卫星每一周的运动仍可以看做是匀速圆周运动。

解决此类问题，首先要判断这种变轨是离心还是向心，即轨道半径r是增大还是减小，然后再判断卫星的其他相关物理量如何变化。

如：人造卫星绕地球做匀速圆周运动，无论轨道多高，都会受到稀薄大气的阻力作用。如果不及时进行轨道维持（即通过启动星上小型发动机，将化学能转化为机械能，保持卫星应具有的状态），卫星就会自动变轨，偏离原来的圆周轨道，从而引起各个物理量的变化。

这种变轨的起因是阻力。阻力对卫星做负功，使卫星速度减小，卫星所需要的向心力rmv2减小了，而万有引力2rGMm的大小没有变，因此卫星将做向心运动，即轨道半径r将减小。

由基本原理中的结论可知：卫星线速度v将增大，周期T将减小，向心加速度a将增大，动能Ek将增大，势能Ep将减小，有部分机械能转化为内能（摩擦生热），卫星机械能E机将减小。

为什么卫星克服阻力做功，动能反而增加了呢？这是因为一旦轨道半径减小，在卫星克服阻力做功的同时，万有引力（即重力）将对卫星做正功。而且万有引力做的正功远大于克服空气阻力做的功，外力对卫星做的总功是正的，因此卫星动能增加。

卫星通信基础知识（六）卫星天线的方位 仰角 极化角

要进行卫星接收，关键点是卫星接收天线的定位，它包括：天线的方位角、仰角和馈源的极化角这三大参数。

1、 方位角

从地球的北极到南极的等分线称为经线（0－180度），把地球分为东方西方，偏东的经线称为东经，偏西方的经线称为西经。从地球的东到西的等分线称纬线（0－90度），把地球分为南北半球，以赤道为界（赤道的纬度为0），北半球的纬线称北纬，南半球的纬线称南纬。我国处于北半球的东方，约在东经75－135度，北纬18－55度之间。所有的广播电视卫星都分布在地球赤道上空35786.6公里的高空同步轨道的不同经度上，平时我们惯称多少度的卫星，这个度指的是地球的经线。卫星在地球上的投影称为星下点，它是位于赤道上，经度与卫星经度相同的地方。如亚太6号卫星的星下点是位于赤道上的东经134度的位置。我们在寻星时，如果你所在的地方（北半球）的经度大于星下点的经度，那么天线的方位角必定时正南（以正南为基准）偏西，反过来，如果你所在的位置的经度小于星下点的经度，那么天线的方位角是正南偏东。
 卫星天线的方位角计算公式是：

A＝arctg｛tg(ψs－ψg)/sinθ｝----------(1)

公式（1）中的ψg是接收站经度，ψs为卫星的经度，θ为接收站的纬度。图1是卫星的方位角示意图。
方位角的调整方法很简单，首先用指南针找到正南方，天线方向正对正南方，如果计算的角度A是负值，则天线向正南偏西转动A度，如果A是正值，则天线向正南偏东方向转动A度。即可完成方位角的调整。

2、 仰角
 仰角是接收站所在地的地平面水平线于天线中心线所形成的角度，如图2所示。
 仰角的计算公式是：


. -----------------⑵

仰角的调整最好是用量角器加上一个垂针作成的仰角调整专用工具进行调整。
方位角和仰角的调整顺序是，先调整好仰角，在调整方位角。

3、极化角
 国内或区域卫星一般都是线极化，线极化分为水平极化（以E‖表示）和垂直极化（以E⊥ 表示）。地面接收天线极化的定义是以卫星接收点的地平面为基准，天线馈源（或极化器）矩形波导口窄边平行于地平面，则电场矢量平行于地平面，定义为水平极化；反之馈源矩形波导口窄边垂直于地平面定义为垂直极化如图3所示。

卫星通信系统基础知识

卫星通信简单地说就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是：通信范围大；只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；不易受陆地灾害的影响（可靠性高）；只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）；同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）；电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量；同一信道可用于不同方向或不同区间（多址联接）。

1、卫星通信系统基本概念

1.1系统组成

卫星通信系统由卫星端、地面端、用户端三部分组成。卫星端在空中起中继站的作用，即把地面站发上来的电磁波放大后再返送回另一地面站，卫星星体又包括两大子系统：星载设备和卫星母体。地面站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户也可以通过地面站出入卫星系统形成链路，地面站还包括地面卫星控制中心，及其跟踪、遥测和指令站。用户段即是各种用户终端。

1.2卫星通信网络的结构

 点对点: 两个卫星站之间互通；小站间信息的传输无需中央站转接；组网方式简单。

 星状网：外围各边远站仅与中心站直接发生联系，各边远站之间不能通过卫星直接相互通信（必要时，经中心站转接才能建立联系）。

 网状网：网络中的各站，彼此可经卫星直接沟通。

 混合网：星状网和网状网的混合形式

1.3卫星通信的应用范围

 长途电话、传真

 电视广播、娱乐

 计算机联网

 电视会议、电话会议

 交互型远程教育

 医疗数据

 应急业务、新闻广播

 交通信息、船舶、飞机的航行数据及军事通信等 1.4卫星通信使用频率

 电波应能穿过电离层，传输损耗和外部附加噪声应尽可能小

 有较宽的可用频带，尽可能增大通信容量

 较合理的使用无线电频谱，防止各宇宙通信业务之间及与其它地面通信业务之间产生相互干扰

 通信采用微波频段（300MHz-300GHz）

1 卫星的变轨问题

1.圆轨道上的稳定运行

GMmr2＝mv2r＝mrω2＝mr(2πT)2

2．变轨运行分析

(1)当v增大时，所需向心力mv2r增大，即万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变大，但卫星一旦进入新的轨道运行，由v＝ GMr知其运行速度要减小，但重力势能、机械能均增加。

(2)当卫星的速度突然减小时，向心力mv2r减小，即万有引力大于卫星所需的向心力，因此卫星将做向心运动，同样会脱离原来的圆轨道，轨道半径变小，进入新轨道运行时由v＝

GMr知运行速度将增大，但重力势能、机械能均减少。

典题分析

1 2012年6月16日18时37分，执行我国首次载人交会对接任务的“神舟九号”载人飞船发射升空，在距地面343公里的近圆轨道上，与等待已久的“天宫一号”实现多次交会对接、分离，于6月29日10时许成功返回地面，下列关于“神舟九号”与“天宫一号”的说法正确的是( )

A．若知道“天宫一号”的绕行周期，再利用引力常量，就可算出地球的质量

B．在对接前，“神舟九号”轨道应稍低于“天宫一号”的轨道，然后让“神舟九号”加速追上“天宫一号”并与之对接

C．在对接前，应让“神舟九号”和“天宫一号”在同一轨道上绕地球做圆周运动，然后让“神舟九号”加速追上“天宫一号”并与之对接

D．“神舟九号”返回地面时应在绕行轨道上先减速

2．(2012·广东高考)如图4－4－3所示，飞船从轨道1变轨至轨道2。若飞船在两轨道上都做匀速圆周运动，不考虑质量变化，相对于在轨道1上，飞船在轨道2上的(

)

图4－4－3 2 A．动能大

B．向心加速度大

C．运行周期长

D．角速度小

解析：选CD 因为GMmr2＝mv2r＝ma＝mrω2＝mr4π2T2，解得v＝ GMr，a＝GMr2，T＝2

πr3GM，ω＝GMr3，因为r增大，所以动能减小，加速度减小，运行周期变长，角速度减小，即只有C、D正确。