中国科学院研究生院硕士学位论文太阳同步回归轨道的设计、仿真研究廖炳瑜指导老师林宝军研究员中国科学院空间科学与应用研究中心申请学位级别硕士学科专业名称计算机应用技术培养单位中国科学院空间科学与应用研究中心学位授予单位中国科学院研究生院英文摘要摘要卫星应用系统是一项非常复杂的工程，其中最重要的是轨道子系统，轨道子系统也是所有卫星应用的基础。
正是由于轨道的重要性，轨道的设计就必须全面考虑，评估和卫星应用有关的地面覆盖、有效载荷、数据系统、电源系统、能源系统、发射场等等和轨道的关系，从中找出最佳的轨道设计方案。
太阳同步轨道的主要特点是卫星在任一时刻其星下点的阳光条件基本相同，这对卫星上对地仪器的工作是非常有利的。
而回归轨道的特点是周期性地覆盖地球，这有利于对地球上动态目标的侦察。
由于以上的优点，太阳同步回归轨道成了所有卫星轨道中最常见的轨道之一。
本文首先介绍了轨道设计的基本知识，然后总结了轨道设计的基本的方法和原则。
在随后部分重点对卫星轨道设计中交点周期的概念提出了自己的看法，同时应用此结果详细分析和设计了对地侦察卫星的太阳同步回归轨道，最后对此设计结果进行详细仿真分析。
关键词轨道要素轨道设计太阳同步回归轨道轨道仿真ABSTRACTSatellite mission is a very complicated project.The most important part of satellite mission is orbit subsystem.The orbit subsystem is also the base of satellite applications.Thus, we must evaluate the relationships between the orbit and the earth coverage,the payload,the data system,the power system,the resource system,the launch place,etc., find out the optimum solution for the orbit because of the importance of the orbit subsystem.The distinct trait of sun synchronic orbit satellite is that there will be the same sun conditions in the subpoint of the satellite wherever the satellite is,it benefits the earth reference equipments.And the regressive orbit satellitr’s trait is that the satellite can cover the earth periodic,it benefits the dynamic reconnaissance.Because of these merits,the sun synchronic and regressive orbit become one of the most popular orbit types.In the first,this article introduces the knowledge of orbit designing,then this article summarizes the basic methods and principles of orbit designing.In the later,this article describes the conception of node period about orbit designing emphatically which has been advanced by the writer.At the same time,this article describes the process of the writer’s analysing and designing the orbit of earth spying satellite particularly with the conception.In the last,this article describes the wirter’s analysing and simulating the designing results.Key words:orbit elements, orbit designing, sun synchronic orbit, regressive orbit, orbit simulate太阳同步回归轨道设计、仿真研究目录摘要 (2)ABSTRACT (3)目录 (4)引言 (6)第一章卫星轨道基础 (7)1．1二体问题 (7)1．1．1坐标系和时间 (7)1．1．2正则单位 (9)1．1．3 二体问题的运动微分方程 (9)1．2开普勒轨道根数 (10)1．3二体问题卫星星历的计算 (11)1．3．1卫星位置的计算公式 (11)1．3．2 卫星速度的计算公式 (13)1．4卫星轨道定轨公式 (13)1．5卫星姿态 (15)1．6卫星的摄动运动方程 (16)1.7地球形状摄动 (18)1.7．1地球引力场和摄动函数 (18)1.7．2近地轨道的地球形状摄动 (18)1.8大气阻力摄动 (19)1.9几种特殊轨道 (20)1.9．1太阳同步轨道 (20)1.9．2回归轨道 (21)第二章卫星轨道设计 (24)2．1概述 (24)2．2卫星轨道设计的基本原则 (25)2．3轨道的设计要求与约束 (26)2．3．1主载荷 (26)2．3．2覆盖特性 (26)2．3．3与运载器和发射场的关系 (27)2．3．4与测控网的关系 (28)2．3．5与应用系统的关系 (28)2．3．6与外层空间环境的关系 (29)2．4设计的步骤 (29)2．4．1确定与轨道有关的任务要求 (29)2．4．2考察现成的特殊轨道 (29)2．4．3具体化轨道参数 (30)第三章卫星运动的交点周期 (31)目录3．1引言 (31)3．2轨道摄动与平均轨道 (31)3．3交点周期 (34)3．4应用 (35)第四章对地侦察卫星的轨道设计 (38)4.1概述 (38)4.2轨道设计的依据和约束条件 (38)4.3轨道需求分析 (39)4.4轨道设计计算 (40)4.4.1 计算公式 (40)4.4.2 轨道高度计算 (41)4.4.3 轨道确定 (48)第五章轨道仿真分析 (51)5.1轨道面进动特性 (51)5.2轨道回归特性 (52)5.3轨道对地面站的覆盖特性 (54)5.3.1轨道对地面数据接收站的覆盖特性 (54)5.3.2轨道对地面测控站的覆盖特性 (56)5.4战时轨道对台湾等地区的侦察覆盖特性 (57)5.5轨道保持 (59)5.6太阳高度角变化特性 (63)5.7轨道机动 (65)5.8轨道调整耗肼量估算 (65)5.9轨道控制对地面测控系统的要求 (67)结论 (68)附录A空间轨道运动常用术语 (69)参考文献 (71)致谢 (72)太阳同步回归轨道设计、仿真研究引言如果说15世纪末、16世纪初近代远洋航海技术的兴起，骤然扩展了人类的活动范围，从而为整个近代科学技术，也为近代社会经济的发展创造了极为重要的前提的话，那么上世纪下半叶兴起的航天技术（1957年10月4日，前苏联用“卫星”号运载火箭发射成功世界上第一颗人造卫星），则使人类飞离地球、走向空间成为现实，必将开始一个“空间文明”的新时代。
航天技术已经和将要给人类带来的巨大变化，是科学技术史上任何事件都难以相比的。
卫星技术是航天技术中非常重要的组成部分，其中的侦察卫星是天基军事情报信息获取的重要手段，也是世界主要军事和航天大国重点发展的空间设施。
随着技术进步及战争特点演变，现代战争中对空间信息获取，包括对光学成像侦察卫星的依赖越来越强烈。
在平时，侦察卫星为国家安全提供全球范围内有关政治、军事和经济的战略性情报；在战时，为军事行动提供包括战场动态侦察监视、打击目标指示、打击效果评估等战术支援信息。
侦察卫星的技术水平的依赖于卫星设计的技术水平。
卫星的设计技术是一门高度综合的现代科学技术，它以基础科学和技术科学为基础，集中应用了20世纪许多工程技术的新成就。
卫星的设计技术涉及到的是一项庞大的系统工程，核心是轨道问题。
轨道设计、轨道控制和轨道测定都是卫星设计的重要组成部分。
轨道的重要性和复杂性都要求我们对轨道的充分理解，因此本论文的叙述将从轨道的基本知识开始。
第一章 卫星轨道基础第一章 卫星轨道基础1．1二体问题1．1．1坐标系和时间1．1．1．1时间通常的时间根据太阳来推算。
太阳连续两次通过当地子午线上中天的时间长度称为一个视太阳日。
在一个视太阳日里，地球自转时转过的角度比它相对于“固定的”恒星而言旋转一圈还要多一点，其原因是地球在一天里，在其运行轨道上已多行走了约1/365。
由视太阳日的定义可知，任何两个太阳日都不会有完全相同的长度，这是由于地球的自转轴并不垂直于它的轨道平面，同时地球的运行轨道略呈椭圆形。
为了避免太阳日长度的这种不均匀性，就定义了平太阳日。
平太阳日基于下述假设：地球是在圆轨道上运行，其公转周期与地球实际公转周期相同，地球的自转轴垂直于轨道平面。
世界时零时的格林尼治平恒星时3620102.6093104.0812866.864018454851.50416T T T GMST s s s m h ⨯-++= 其中，36525/u d T =,u d 是从2000年1月1日12时算起的日数，取值为...5.2,5.1,5.0±±±。
可以认为世界时是一个在赤道上具有均匀运动的假想点的格林尼治时角，这一假想点的平赤经为012GMST R h +=日h 12加上这一假想点的地方时角称为地方平时，它和世界时的关系为地方平时m = 世界时M+经度λ恒星时以春分点作参照物，是春分点距子午圈的时角，并以春分点上中天的瞬间作计时的起算点，一个恒星日是春分点连续两次经过上中天的时间间隔，它是一个平太阳日的365.2422/366.2422，即23小时56分04秒（平太阳时）。
对应于地太阳同步回归轨道设计、仿真研究球上每一个地方子午圈存在一种地方恒星时，它同格林尼治恒星时的关系是地方恒星时s = 格林尼治恒星时S+经度λ儒略日，标准历元为2000年1月1.5日，记作J2000.0。