衛(wèi)星系統(tǒng)與地球軌道概述

韓波++陳琦++崔曉婷

1 衛(wèi)星系統(tǒng)

典型通信衛(wèi)星平臺(tái)包括下列系統(tǒng)。

1.1 通信和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

通信和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)執(zhí)行3個(gè)獨(dú)立功能：接收和解調(diào)從地面站通過指令鏈路發(fā)射給衛(wèi)星的信息；通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送記錄（遙控）數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)至地面接收站；通過遙測鏈路發(fā)送平臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)和其他遙測數(shù)據(jù)至地面站。

1.2 姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)

姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)用以確定衛(wèi)星相對(duì)于當(dāng)?shù)胤ň€的精準(zhǔn)位置，為通信天線、圖像敏感器和其他任務(wù)敏感器提供精確指向。姿態(tài)控制功能系統(tǒng)可以接受誤差信號(hào)，據(jù)此基本的或精確的姿態(tài)確定功能系統(tǒng)通過3個(gè)反作用飛輪產(chǎn)生三軸姿態(tài)控制。基本的姿態(tài)確定功能系統(tǒng)從地球敏感器獲取俯仰角和滾動(dòng)角數(shù)據(jù)，從經(jīng)太陽敏感器校正的陀螺儀獲取偏航角信息，可提供精度在0.1°內(nèi)的基本三軸指向。精確的姿態(tài)控制函數(shù)可通過經(jīng)3個(gè)恒星敏感器校正的陀螺儀實(shí)現(xiàn)精度在0.01°之內(nèi)的三軸指向。

1.3 跟蹤、遙測和指令系統(tǒng)

跟蹤、遙測和指令系統(tǒng)（測控，TT&C）接收來自航天器各系統(tǒng)的模擬、離散和數(shù)字化的信號(hào)，將其處理為連續(xù)數(shù)據(jù)流，然后直接傳輸至地面或在星上存儲(chǔ)起來待以后傳輸。傳輸至地面的這些數(shù)據(jù)經(jīng)分析和評(píng)估，可以判斷航天器健康情況和運(yùn)行狀態(tài)。指令和控制功能是全數(shù)字化的，它提供了從助推器分離到轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)射制導(dǎo)，控制衛(wèi)星在軌期間的姿態(tài)和工作模式。系統(tǒng)按地面站的指令和數(shù)據(jù)及衛(wèi)星上其他系統(tǒng)的信號(hào)和數(shù)據(jù)實(shí)施控制，它的另一個(gè)關(guān)鍵功能是提供誤差修正編碼。

1.4 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)在額定電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生、儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)、控制和分配電能，為所有平臺(tái)和有效載荷供電，并在出現(xiàn)可靠性故障時(shí)對(duì)電源系統(tǒng)所有部件提供保護(hù)。電源系統(tǒng)基本組成有太陽電池陣、太陽電池陣驅(qū)動(dòng)裝置、蓄電池組、蓄電池組充電/放電調(diào)節(jié)器、母線電壓調(diào)節(jié)器、負(fù)載開關(guān)、熔斷器、配電器和電纜。電纜包括導(dǎo)線和連接各部件的電連接器。

在地球軌道上的衛(wèi)星，太陽電池陣每軌道周期旋轉(zhuǎn)一圈，以法相角或接近法相角跟蹤太陽，這種旋轉(zhuǎn)由速率-伺服系統(tǒng)控制。衛(wèi)星計(jì)算機(jī)計(jì)算出星體信息和位置誤差，以得到速率控制信號(hào)。正常的旋轉(zhuǎn)率是0.06（°）/s，使用滑環(huán)和碳刷提供太陽電池陣和衛(wèi)星本體之間的旋轉(zhuǎn)連接。特定速率旋轉(zhuǎn)的控制信號(hào)來自于測控系統(tǒng)，它同時(shí)也確定旋轉(zhuǎn)方向。

1.5 熱控系統(tǒng)

熱控系統(tǒng)在衛(wèi)星正常和非正常的運(yùn)行狀態(tài)下，確保所有儀器的溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)。根據(jù)需要可提供被動(dòng)冷卻和主動(dòng)冷卻兩種降溫方法。該系統(tǒng)的典型組成部分包括：固定輻射器、熱控百葉窗、多層隔熱材料、熱涂層、熱控帶、加熱器、自動(dòng)調(diào)溫器、溫度敏感器和控制電子電路。其中，熱敏電阻被廣泛用做溫度傳感器。熱控系統(tǒng)部件的規(guī)格根據(jù)電源平均熱耗、來自太陽的外部熱量輸入、地球反射的太陽光以及長波（紅外）輻射熱量確定。

1.6 結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要提供固定和連接各個(gè)機(jī)械部件的框架。入軌后吊桿、太陽電池陣和其他部件的展開機(jī)構(gòu)通常也包含在該系統(tǒng)內(nèi)。展開機(jī)構(gòu)的電源電路和裝置都采取了電磁屏蔽措施，以避免發(fā)生誤展開。展開動(dòng)作由裝有彈簧的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)完成，由充滿黏性液態(tài)硅的旋轉(zhuǎn)葉片阻尼器控制旋轉(zhuǎn)速率。太陽電池陣展開機(jī)構(gòu)一般還包括繩切割器和/或桿切割器，結(jié)構(gòu)材料通常選用鎂和鋁，復(fù)合材料也很常見。需要時(shí)還會(huì)用一些鋼，偶爾用鈹。

1.7 推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)在星箭分離后產(chǎn)生三軸推進(jìn)控制力矩，在任務(wù)過程中保持衛(wèi)星的動(dòng)量不超過最大值。它常使用高壓氦或氮和液態(tài)肼的混和物，氦氣或氮?dú)夂碗路胖迷诟邏簣A柱形的鈦合金筒中。通過推進(jìn)系統(tǒng)衛(wèi)星也可獲得用于變軌和軌道修正的速度變量Δv。

全球?qū)Ш蕉ㄎ恍l(wèi)星（GPS），由美國空軍的一系列中地球軌道通信衛(wèi)星組成，其有效載荷天線朝向地球，通過太陽電池陣驅(qū)動(dòng)裝置，太陽電池陣吊桿保持南北指向。衛(wèi)星主體南北面板中安裝了蓄電池、電源調(diào)節(jié)器和電子控制設(shè)備。

2 地球軌道分類

地球是一個(gè)南北極微平的球體，它南北直徑為12713.54 km，赤道直徑為12756.32 km，兩者相差42.78 km。地面上大氣層高達(dá)160km，以后逐漸稀薄進(jìn)入太空。地球衛(wèi)星根據(jù)其典型參數(shù)進(jìn)行分類，分為地球靜止、地球同步、橢圓、近地衛(wèi)星。

軌道以下列縮寫符號(hào)表示：

1）GEO——地球同步軌道，距地面35786km；

2）MEO——中地球軌道，距地面2000～20000km；

3）LEO——低地球軌道，距地面200～2000km；

4）HEO——大橢圓軌道，如莫利亞（Molniya）。

通信衛(wèi)星提供大面積的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的互聯(lián)和廣播通信服務(wù)，同時(shí)它也能服務(wù)于固定或移動(dòng)終端——在地面上、海面上、大氣中或太空中。典型的衛(wèi)星應(yīng)答機(jī)從地面站接收上行信號(hào)，經(jīng)頻率轉(zhuǎn)換后，放大并將其發(fā)射回地面。

在設(shè)置LEO和MEO軌道參數(shù)時(shí)，應(yīng)避免地球周圍（1.3～1.7倍地球半徑以及3.1～4.1倍地球半徑）輻射帶，典型的LEO衛(wèi)星高度為500～1500 km，軌道周期1.5～2h，在每個(gè)軌道周期，特定的地面站只有幾分鐘的時(shí)間能觀察到衛(wèi)星。典型的MEO衛(wèi)星高度為5000～12000km，軌道周期是幾個(gè)小時(shí)。大橢圓軌道上航天器在大部分軌道周期時(shí)間里都可以看到兩極區(qū)域。

GEO衛(wèi)星在35786km（22237英里）的高度上從西向東運(yùn)行，其設(shè)計(jì)的軌道周期是24h，因而相對(duì)地球保持靜止。在赤道平面內(nèi)相隔120°布置3顆這樣的衛(wèi)星，就能保持連續(xù)覆蓋除極地外的整個(gè)地球。運(yùn)載火箭助推器和它的末級(jí)火箭將衛(wèi)星發(fā)送到轉(zhuǎn)移軌道一個(gè)橢圓軌道，地球在其一個(gè)焦點(diǎn)位置，遠(yuǎn)地點(diǎn)在地球同步軌道上；在遠(yuǎn)地點(diǎn)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，使軌道達(dá)到地球同步軌道的高度。各軌道的主要特性描述如下。endprint

2.1 地球靜止軌道

地球靜止軌道是一種非常特殊的地球同步軌道（事實(shí)上，它是獨(dú)一無二的）。它是位于地球赤道平面內(nèi)，半徑為42164km，傾角和離心率均為0的圓形軌道。放置在該軌道上的衛(wèi)星與地球的旋轉(zhuǎn)速率及方向（自西向東）同步同向，衛(wèi)星相對(duì)于地球沒有運(yùn)動(dòng)，因此從衛(wèi)星上觀察到的地球表面靜止物體總是相同的。衛(wèi)星軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，即23h56 min4.09s。因此，衛(wèi)星發(fā)送到地球的電波和地面站發(fā)送到衛(wèi)星的電波的位置是固定的，這就大大簡化了衛(wèi)星和地面站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求。然而，達(dá)到并保持在地球靜止軌道在同軌道高度中是最費(fèi)燃料的。目前，置于該軌道上的衛(wèi)星數(shù)目眾多，因而很難找到一個(gè)可以避免周圍衛(wèi)星無線電頻率干擾的理想位置。美國國防部的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRS）就是一個(gè)地球靜止軌道衛(wèi)星的實(shí)例。該軌道的衛(wèi)星容易產(chǎn)生飄移而離開指定的位置，因此，需要定期進(jìn)行在軌位置保持操作。

太空中的時(shí)間以恒星時(shí)來記錄，即基于恒星為參照背景的地球自轉(zhuǎn)時(shí)間。地球上使用的太陽時(shí)是測量以太陽為參照背景的地球自轉(zhuǎn)時(shí)間。在相同的太陽時(shí)，同一個(gè)恒星并不在同一個(gè)位置，但是，在同一個(gè)恒星時(shí)，恒星卻日復(fù)一日地在同一個(gè)位置。一個(gè)恒星日有24個(gè)恒星小時(shí)，是地球繞通過地心和遙遠(yuǎn)恒星連接的假想軸旋轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間。恒星時(shí)選取地球上的春分點(diǎn)作為測量參考點(diǎn)。盡管這一點(diǎn)沒有明顯的恒星標(biāo)志。

地球靜止軌道的周期就是一個(gè)恒星日，它比平太陽日24h稍短一點(diǎn)，這是因?yàn)榈厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)，使太陽相對(duì)產(chǎn)生移動(dòng)，地球旋轉(zhuǎn)360°需365.24 d，即0.9856（°）/d。當(dāng)?shù)厍蛳鄬?duì)于一個(gè)遙遠(yuǎn)恒星自轉(zhuǎn)一次的時(shí)候，它已經(jīng)沿著軌道西移。當(dāng)?shù)厍蜷_始旋轉(zhuǎn)時(shí)，太陽在其位置東移0.9856°。于是，地球需要額外的時(shí)間東轉(zhuǎn)與太陽保持一致。因此，地球在一個(gè)平太陽日必須旋轉(zhuǎn)360.9856°，這樣在從一個(gè)正午到另一個(gè)正午的24h內(nèi)（86400 s），子午線就能調(diào)整正向太陽。地球旋轉(zhuǎn)0.9856°的時(shí)間是235.91s，因而地球旋轉(zhuǎn)周期是86164.09s，或者23h56min4.09s，這比平太陽日少3 min55.91s。

2.2 地球同步軌道

大多數(shù)商業(yè)通信衛(wèi)星運(yùn)行在眾多的地球同步軌道上，地球靜止軌道是獨(dú)一無二的地球同步軌道。兩者的差別很細(xì)微，但卻非常重要。除了傾角可以是0°～90°之間的任意值之外，地球同步軌道同地球靜止軌道非常相似。除0°傾角以外，其他傾角都需要地面站跟蹤天線。有時(shí)，這并不是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)榈孛嬲居捎谄渌蛞惨玫礁櫶炀€?？梢苿?dòng)平臺(tái)，例如飛機(jī)和輪船，也需要跟蹤天線。地球同步軌道可以節(jié)省發(fā)射時(shí)所需的燃料并易于軌道維護(hù)。如果衛(wèi)星被置于i°傾角軌道，衛(wèi)星正下方每天在i°南北方向上振蕩，以“8”字形向南北方向飄移。該形狀角高度就是振幅±（πi°/180）rad。遠(yuǎn)離赤道的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致理想衛(wèi)星點(diǎn)和實(shí)際衛(wèi)星點(diǎn)之間出現(xiàn)經(jīng)度差。當(dāng)衛(wèi)星移向赤道時(shí)這一差別就顯現(xiàn)出來。最大的經(jīng)度偏離是（πi°/180）2/4，距離的變化是±（πi°/180）R0，R0是軌道半徑。地面站必須與傾斜軌道衛(wèi)星的南北向運(yùn)動(dòng)保持一致。

當(dāng)太陽和月球不在赤道平面內(nèi)時(shí)，它們合成的引力在地球南北方向的分量改變了地球靜止和地球同步衛(wèi)星的軌道傾角，速率是0.85（°）/a。為補(bǔ)償這種軌道飄移，衛(wèi)星需通過機(jī)動(dòng)保持原有位置，需要耗費(fèi)一些儲(chǔ)存在衛(wèi)星上的燃料。電弧推進(jìn)可以提高推進(jìn)效率并減少對(duì)燃料的需求。如果每年可以接受0.85°的飄移，則不必考慮電弧推進(jìn)與位置保持所需的燃料；或在任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)就將其考慮進(jìn)去，如TDRS。作為交換，衛(wèi)星每天需要幾度的偏航機(jī)動(dòng)以保持指向地面站。

2.3 大橢圓軌道

在各種大橢圓軌道中，Molniya軌道是一條以一顆蘇聯(lián)通信衛(wèi)星命名的特殊軌道，它的近地點(diǎn)為1000 km，遠(yuǎn)地點(diǎn)為39400km。該軌道周期為1/2個(gè)恒星日，所以衛(wèi)星到達(dá)的所有遠(yuǎn)地點(diǎn)的高度都相同。Molniya軌道的優(yōu)點(diǎn)在于它能很好地覆蓋整個(gè)北半球，缺點(diǎn)是不能覆蓋南半球。此外，它需要較多的衛(wèi)星，且每個(gè)地面站需要兩個(gè)跟蹤天線。盡管GPS不在Molniya軌道，但由于它在圓軌道中選擇的MEO位置，所以軌道周期也為1/2個(gè)恒星日。一些美國軍用衛(wèi)星使用傾角為63.4°的Molniya軌道，以便在12h的軌道周期中有10h可以偵察到俄羅斯。

2.4 低地球軌道

低地球軌道（LEO）是一個(gè)低高度的近似圓形的軌道。國際空間站（ISS）和NASA的航天飛機(jī)都在LEO工作。大多數(shù)通信衛(wèi)星工作在GEO，但最近規(guī)劃和/或已布放的一些星座則位于500～2000km、傾角為30°～90°（兩極）的LEO。因?yàn)檩^之其他軌道更接近地球，所以一些更小、更簡單的衛(wèi)星可放在該軌道上。此外，雙向通信在該軌道引入0.02s的延遲，而地球同步軌道則引入0.5s的延遲。所不利的是LEO通信衛(wèi)星需要全方位天線，而為保證大范圍的覆蓋也需要許多的衛(wèi)星。

2.5 太陽同步軌道

在太陽同步軌道上，衛(wèi)星與太陽之間的連線和衛(wèi)星軌道平面的夾角恒定，并且對(duì)太陽的視角恒定，一些特殊用途的衛(wèi)星使用該軌道。endprint