卫星轨道的摄动是怎么一回事?

这几天听卫星轨道的摄动是由于地球是椭球型而不是球型,会导致在赤道面上卫星受到重力增大,导致轨道面发生与卫星上行方向相反的方向旋转,可轨道面受到什么力使他旋转呢?


卫星的实际运行轨道与开普勒二体问题理想轨道的区别就是由于摄动所导致的。

这些摄动包括以下方面
1.非球形摄动
由于地球是一个椭球体,赤道比两极长了快20km,所以卫星的轨道,尤其是LEO(低轨道,小于1500km)轨道会受到很大的影响,简单的讲就是轨道都会被拉向轨道倾斜,实际上地球是个不规则球体,所以概摄动在考虑精密测量是要考虑的不规则因素很多,需要高精度的计算。

2.大气摄动

大气摄动是卫星在较低的轨道运行所受到的来自大气的阻力,尤其是低于300km的轨道会迅速衰减,航天器就会坠入大气层。大气摄动最为主要的效果是降低航天器的轨道高度,也就是让半长轴减小。减小的效果由航天器的迎风面和飞行质量决定。

3.天体摄动(对于近地轨道来说主要是月地摄动,有的要考虑日月地摄动)
摄动力的大小是航天器的质量乘上两个加速度的矢量差,这个摄动会随着天体相对位置的变化儿变化。

4.太阳光压
空间飞行器在收到太阳照射时,反射或者吸收光子而产生对飞行器的压力。特别是具有很大太阳帆板的卫星会收到较大的太阳光压摄动。概摄动最主要的是改变飞行器的偏心率。

利用光压进行宇宙航行一种航天器构想就是太阳帆,虽然这个力很小,只要太阳帆足够大就能逐步累积到足够大速度。

高精度轨道所需要的摄动分析

5.地球辐射摄动
就是由地球反射太阳光,和发射红外辐射对卫星造成的摄动。其他有地球引起的还有诸如海潮摄动等。

6.相对论摄动


这些摄动都是在10cm级别轨道测量时需要考虑的。

最后给出一个摄动的量级。


摄动就是理想受力和现实受力的差异。理想中卫星受平方反比的地球引力,轨道是个不变的椭圆,实际上受力要复杂的多,以至于这个椭圆大小和方位都是变化的。这个摄动力相对于平方反比引力而言其实是很小的,一般按照“阶”来表示相对大小。一阶大约是千分之一,二阶大约是百万分之一。但是由于这些扰动长期存在,日积月累的效益还是很可观的。你问题里提到的是一类很重要的摄动源,称为非球形摄动,来自于地球形状以致质量分布的不均匀。
人们按照所需要的精度以及卫星的飞行环境来对这些力进行建模与取舍。对于高度比较低的卫星,一般考虑地球的非球形和大气层上层的空气阻力效应就可以了。对于同步轨道,也就是高度36000km,空气阻力就不考虑了,而需要考虑新的因素,例如太阳月球的吸引,太阳辐射压力。

简单总结就是:摄动真是小,短期看不到,长期吓一跳,分析按阶搞。地球有点不太圆,低轨大气不可略,高轨还要看日月。


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