卫星及太空目标轨道根数

轨道根数

轨道根数(或称轨道要素或轨道参数)是描述在牛顿运动定律和牛顿万有引力定律的作用下的天体或航天器,在其开普勒轨道上运动时,确定其轨道所必要的六个参数。由于运动的方式有许多种的参数表示法,依照选定的测量装置不同,对相同的轨道,有几种不同的方式来定义轨道根数。

(注:图片来源于网络)

传统上使用的轨道根数,是在开普勒和他的开普勒定律之后发展出来的,称为开普勒元素,主要有六个参数:

  • 半长轴  :椭圆轨道长轴的一半,有时可视作平均轨道半径。
  • 偏心率(离心率) :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。 就是 
  • 轨道倾角  :行星轨道面对黄道面的倾角;在升交点处从黄道面逆时针方向量到行星轨道面的角度。
  • 近地点辐角 :从升交点沿行星运动轨道逆时针量到近地点的角度。
  • 升交点黄经 :行星轨道升交点的黄道经度。
  • 平近点角/真近点角 :行星对应于  时该的平近点角。

汇总:半长轴、偏心率、轨道倾角、近地点幅角、升交点赤经和真近点角


1. 轨道半长轴,是椭圆长轴的一半。对于圆,也就是半径
2. 轨道偏心率,也就是椭圆两焦点的距离和长轴比值。对于圆,它就是0.
这两个要素决定了轨道的形状
3. 轨道倾角,这个是轨道平面和地球赤道平面的夹角。对于位于赤道上空的同步静止卫星来说,倾角就是0。
4. 升交点赤经:卫星从南半球运行到北半球时穿过赤道的那一点叫升交点。这个点和春分点对于地心的张角称为升交点赤经。
这两个量决定了卫星轨道平面在空间的位置。
5. 近地点幅角:这是近地点和升交点对地心的张角。
前面虽然决定了轨道平面在空间的位置,但是轨道本身在轨道平面里还可以转动。而这个值则确定了轨道在轨道平面里的位置。
6. 过近地点时刻,这个的意义很显然了。卫星位置随时间的变化需要一个初值。
有一点要指出的是,上面的6个参数并不是唯一的一组可以描述卫星轨道情况的参数,完全也可以选取其他参数,比如轨道周期。但是由于完备的描述也只需要6个参数,所以他们之间存在着固定的换算关系。比如轨道周期就可以由半长轴唯一来确定(这在下面讲TLE的时候也会涉及到),反之亦然。上面选取的这组是比较自然的一组。


人造卫星参数:

(1)轨道的形状参数:偏心率 和 半长轴
(2)轨道的位置参数:轨道倾角(轨道与赤道面的二面角) 升交点赤经(春分点、地心、升交点三点在地心构成的夹角) 近地点辐角(轨道近地点、地心、升交点三点在地心构成的夹角)
(3)卫星在轨道上的位置 平近点角(因为长半轴确定了,周期就一定了,所以可以虚拟一个圆,把椭圆上不规则的运动速度化简单圆上规则的变化,平近点角就是虚拟圆上的位置点、近地点、地心三者在地心形成的夹角)


 

其它:

卫星运行轨道常用运算方法:
https://www.xiaobo.li/notes/archives/2265

 

 

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