太阳同步回归轨道卫星的重访特性研究
太阳同步回归轨道卫星的重访特性研究
贾向华，徐明
(北京航空航天大学宇航学院，北京 100191)
基金项目：国家自然科学基金项目(11172020)；北京市自然科学基金项目(4153060)
作者简介：贾向华(1991—)，男，硕士研究生，主要从事航天器轨道动力学研究。
通讯作者：徐明(1981—)，男，副教授，博士生导师，主要从事航天器轨道动力学与控制等研究。
本文引用格式：贾向华，徐明.太阳同步回归轨道卫星的重访特性研究[J].兵器装备工程学报，2017(5):159-163.
Citation：format:JIA Xiang-hua, XU Ming.Research on Revisit Properties for Sun-Synchronous RGT Orbits’Satellite[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):159-163.
摘要：针对太阳同步回归轨道的重访问题，提出了探究重访特性的系统方法。该方法以Q 值建立太阳同步与回归轨道间的联系；采用基本交点距的描述方法，将回归周期内轨道的访问顺序加以量化；应用数论中的贝祖定理，将重访周期的确定转换为求解一丢番图代数方程。仿真算例选以光学载荷对地观测为前提，得到了特定回归周期轨道的访问顺序及地面覆盖情况，确定了相应的重访特性；此外，以轨道高度范围为约束，以快速重访为目标，确定了太阳同步回归轨道的设计方法。结果表明，该方法可以确定具有良好重访特性的最优解。
关键词：太阳同步回归轨道；重访特性；基本交点距；贝祖定理
遥感卫星等对地观测卫星近年来取得了长足发展，对地观测的空间分辨率可达米级，甚至亚米级，在军事、民用等领域均有重要应用。由于遥感卫星所搭载的光学成像载荷(如星载CCD传感器)要求光照条件相对稳定，且根据任务需求，遥感卫星应在一定时间内对特定区域进行重复观测。因此，太阳同步回归轨道广泛地被对地观测卫星所采用。
太阳同步回归轨道具有太阳同步和回归轨道的双重特点，满足遥感卫星的任务要求。早期的轨道设计主要以经验为主，没有通用的准则，限制了遥感卫星轨道设计的规范化
发展[1]。近年来，随着对卫星轨道理论的深入探索，众多学者针对太阳同步回归轨道的设计优化及重访特性开展了相关研究。
Casey等[2]将一太阳日内卫星绕地球的旋转周数定义为Q值，并利用Q值研究了太阳同步回归轨道卫星在回归周期内的访问顺序。针对回归轨道的重访特性，袁孝康[3]给出了近似确定回归轨道重访周期的方法，以此筛选最优的回归轨道。然而，在一些特定情况下，这种方法会遗漏最优解。曲宏松等[4]将Q值作为联系太阳同步轨道和回归轨道的桥梁，基于Q值和袁孝康[3]给出的方法探究了在一定高度范围内的太阳同步轨道，并给出相对最优解。郭晨光[5]将Q值的选取与卫星光学载荷的时间分辨、空间分辨率等约束条件相结合，给出优化轨道回归和重访特性的方法。谢金华[1]针对重访周期，进行了较深入的研究，给出卫星对地面目标重访的基本条件及星载光学载荷覆盖范围的确定方法。针对中国航天HJ-1A/1B双星的实际任务，谭田等[6]以星载CCD相机的幅宽为基础，设计了重访周期为2天的双星星座。此外，Pie等[7]引入回归轨道子循环的定义，并借助回归周期内卫星星下点轨迹相对于回归周期开始时的偏差，将长回归周期轨道进行了合理划分，以减少重访时间。Nadoushan等[8]基于数论来设计太阳同步回归轨道，使其具有特定的重访周期和最优的侧摆角。
本研究在总结太阳同步回归轨道形成条件的基础上，探究轨道在回归周期内的访问顺序，以及轨道的重访特性。此外，以光学载荷对地观测为前提，列举了特定回归周期轨道的地面覆盖特性。最后，以一轨道高度范围为约束条件，分析给出了满足覆盖要求与重访特性的太阳同步回归轨道。
1 太阳同步回归轨道
太阳同步回归轨道具有太阳同步轨道和回归轨道的双重性质，既能保证特定的光照条件，又能实现对特定区域的周期性观测，因此被诸多对地观测卫星所采用。本章分别给出太阳同步轨道和回归轨道的形成条件，并将两者结合，给出太阳同步回归轨道的Q 值。
1.1 太阳同步轨道
卫星轨道平面的取向由升交点赤经Ω和轨道倾角i共同决定。由摄动理论可知，轨道倾角平均无变化，而Ω的平均变化率WΩ为[9]
(1)
式中： J2为地球非球形摄动的一阶长期项；μ为地球引力系数；a为轨道半长轴；R e为地球赤道半径；e为轨道偏心率；i为轨道倾角。
可知，WΩ相当于轨道平面绕地球轴线的进动角速度，若其值等于地球的公转角速度，则轨道平面相对于太阳具有固定的取向，进而得到太阳同步轨道。由文献[10]可知，太阳同步轨道的条件为
(2)
式中i sso太阳同步轨道的倾角。
1.2 回归轨道
回归轨道是指经过特定轨道日后，星下点轨迹重复出现的轨道。由文献[9]，轨道日P EO为
(3)
式中：ωE为地球自转角速度。由文献[9]可知，卫星的交点周期P nod为
(4)
式中：Wω是近地点幅角的平均变化率; W M是平近点角的平均变化率，其值分别为
若在整数个轨道日内，卫星绕地球旋转整数圈，则满足星下点轨迹重复出现的条件，回归轨道条件可表示为
(5)
式中D，N为互质的整数。
在轨道为太阳同步轨道的前提下，轨道日与太阳日相等，即P EO=86 400s。定义太阳同步回归轨道的Q值为
(6)
Q值表示一交点日内，卫星的旋转周数。为便于研究，将Q值表示成
(7)
式中：ν为将Q向下取整得到的数，d=N-νD。
2 回归轨道的访问特性
回归轨道的Q值决定轨道星下点轨迹的位置和访问顺序。本章给出Q值与回归轨道访问顺序的关系，并以数论中的贝祖定理为基础，分析回归轨道的重访特性。
2.1 访问顺序
由1.2可知，D天回归的轨道，绕地球N周。N个交点(升交点或降交点)将地球的赤道周长分成了均等的N份，将相邻降交点间的距离定义为“格点距离”δg[11]，格点距离是空间上相邻两个交点间的距离，可知
(8)
且卫星每天绕地球Q周，连续两个交点间的距离被定义为“基本交点距”δb[11]，基本交点距是时间上相邻两个交点间的距离，则
(9)
由式(6)，可知
(10)
即一个基本交点距可被均分为D个格点距离。赤道上N个交点可用来描述回归周期内，轨道的访问情况。但若回归周期较长，N值较大，这种方法则不便于描述轨道的访问情况。考虑到回归轨道的性质，可取基本交点距内的交点来描述访问情况。
取的回归轨道，在基本交点距内，描述其回归周期内的访问特性如图1所示，初始时刻卫星经过“0”升交点，“m day”表示m天后卫星的地面轨迹。
图1 4天回归轨道的访问特性
可以看出，轨道的回归周期为4天，且第2天的地面轨迹将从第1天的地面轨迹向东移动一个格点距离。通过对Q值进行分析可以得到，D决定了基本交点距内的格点距离数，而d决定了回归周期内，地面轨迹的访问顺序。如图2所示，给出某Q值的回归轨道在第k天的地面访问情况。
图2D天回归轨道的访问特性
可归纳出某Q值对应的回归轨道，第k天的交点在基本交点距内的位置为
y=D-mod(kd,D) 0 (11) 式中，mod为取余函数。 分析知：① d=1或d=D-1，则第2天的地面轨迹将从第1天的地面轨迹向东或西移动一个格点距离，此类型的轨道可进行逐天连续覆盖，但难以实现对某些区域的快速重访；② d≠1且d≠D-1时，地面轨迹将从前一天的基础上移动数个格点距离，特定情况下，此类轨道可满足快速重访的要求；③ d=x与d=D-x的地面轨迹在空间上相互对称，因而在进行访问特性的快速分析时，可以仅分析d<0.5D所对应的轨道。图3给出回归周期为7天的各个轨道访问顺序。 2.2 重访特性 对于回归周期较长的卫星，通常要求其具有比较快速的重访能力，即具有较短的重访周期。重访周期是卫星有效载荷连续两次访问某地面目标的时间间隔，其值受到轨道高度，有效载荷的视场角，卫星侧摆能力等因素的影响，通常情况下不为定值。 以往研究通常以一个分母较小的分数来近似Q值的分数部分，且取这个较小的分母作为轨道的重访周期。显然，这种方法缺少一定的合理性。 图3 7天回归轨道的访问特性 假设近似的重访周期为S，根据卫星对地观测载荷的限制，希望S天后的地面轨迹与S天前的地面轨迹尽量较小，进而实现重访。根据文献[1]，近似重访周期S满足 (12) 式中：m为正整数；n p为非零整数；[*]为取整运算。 实际上，n p为重访周期前后两条星下点轨迹相差的格点距离数，正值表示东向偏差，负值表示西向偏差。考虑到卫星对地观测范围的限制，为保证实现重访，n p应尽量小。文献[3-4]中将n p严格限定为±1，具有一定的实际意义，但是在某些特定情况下可能会遗漏最优解。 变换式(12)形式，整理得到 (13) 式(13)表示的是以d、D为系数，S、m为参数的丢番图方程，与文献[8]中给出的公式相似，但是更有实际意义。式(13)中，d与D互质，可以被非零整数n p整除。由贝祖定理[12]可知，对于任意非零整数n p，式(13)必存在整数解S和m，其中S表示回归轨道的近似重访周期。 至此，在给定回归轨道Q值的基础上，可通过求解丢番图方程，定量确定满足特定要求的近似重访周期。实际中，重访周期的确定还应考察卫星实际的覆盖特性，进而确定重访周期是否合理。 3 覆盖特性分析 卫星的可观测范围W受卫星轨道高度h，载荷视场角α及最大侧摆角β的影响。对W 进行量化计算，取卫星处于赤道上空的可观测范围进行分析，如图4所示。 可得W的计算公式为 (14) 式中：γ为卫星可观测角，且γ=β+0.5α。 相应地，取回归轨道在空间上连续两轨间距δg进行分析，如图5所示。 图4 卫星的可观测范围 图5 相邻轨迹的间距 图5中，i a为赤道与星下点轨迹的夹角，对于偏心率较小的回归轨道，其值为[11] (15) δgv为相邻两轨道的垂直距离，且其值为 (16) 可知，回归轨道卫星可以实现全球覆盖的条件为 (17) 式中，b为卫星可观测的轨迹间隔数。 仿真算例选取ZY-1(02)C[5]卫星的参数进行重访特性的研究。ZY-1(02)C星的视场角为4°，最大侧摆角为32°。取回归周期为11天的太阳同步回归轨道，则D=11，设定ν=14，且由2.1给出的回归轨道访问顺序的对称性，取d<0.5D的一系列轨道进行分析。得到覆盖特性如表1所示。 表1 太阳同步回归轨道的覆盖特性 根据表1的数据，通常要求对地观测卫星的重访周期在4天左右，图6给出了各轨道在回归周期内的访问顺序与4天内覆盖特性。 图6 访问顺序与覆盖特性 分析表1和图6可知，在考虑卫星可观测范围的情况下，若b=d，则轨道具有较好的重访特性。可充分利用卫星的载荷，实现对地面目标的快速重访。 4 轨道设计 结合前几章的相关内容，本章以实例给出满足一定约束条件的太阳同步回归轨道的设计方法。取卫星对地观测载荷的视场角为4°，卫星最大侧摆角为32°，要求对地观测影像的旁向重叠率q≥5%，则在770≤h≤780 km的高度范围内确定最优的太阳同步回归轨道。 取圆轨道进行分析，可由轨道高度范围确定半长轴a的取值范围，由式(2)可确定太阳同步轨道倾角的取值，结合式(4)(6)，可得轨道Q值的取值范围为：14.318 3≤Q≤14.348 3，则ν=14，0.318 3≤d/D≤0.348 3。 卫星对地观测时，为了保证观测品质。通常在不考虑侧摆的情况下，要求相邻两轨道的观测幅宽有一定的重叠率。但重叠率过大则浪费星上资源。在此设定5%≤q≤15%。由式(14)可确定卫星的观测幅宽为：537.82≤W≤544.80 km，考虑到重叠率的限制，得到卫星的有效观测幅宽为457.14≤W e≤517.56 km。 要求满足全球覆盖，则 NW e≥2πR e (18) 可得775≤N≤876，结合式(7)及Q的取值范围，可得：54≤D≤61，即轨道的回归周期从54到61天变化。表2给出在770～780 km高度范围内，所有满足要求的备选轨道，并给出相应的参数。 表2 备选轨道及其参数 由表2可知，备选轨道的近似重访周期均为3天，应选取回归周期较小的轨道做进一步分析，确定其实际的重访特性，因此Q值分别为和三条轨道被筛选出来，进行重访特性分析。在回归周期内绘制3条轨道的重访特性，如图7所示。 可见3条轨道均能在3天内实现对全球的覆盖，但是从对地观测的效果来看，轨道高度越低的轨道相对而言更具有优势，所以的轨道可被选为满足高度范围和使用要求的轨道。由表2看出，此轨道的n p值为-2，并不满足文献[3-4]中所限定的n p=±1的条件。可见，在进行太阳同步回归轨道设计时，不能完全排除n p≠±1的情形，否则可能会遗漏最优解。 5 结论 针对太阳同步回归轨道的重访问题，提出了确定重访特性的系统方法。该方法将回归周期内的访问顺序加以量化，并以贝祖定理为依据，将重访周期的确定转化为丢番图方程的求解。考虑到重访周期受轨道高度、有效载荷的视场角，卫星侧摆能力等因素的影响，仿真算例以光学载荷对地观测为前提，给出特定回归周期轨道的重访特性；并将轨道高度范围作为约束，确定了具有优良重访特性的太阳同步回归轨道。 《遥感原理与应用》模拟题 一．单项选择题 1. 到达地面的太阳辐射与地面目标相互作用后能量可分为三部分，不包括下面哪种辐射（ D ）。 A.反射 B.吸收 C.透射 D.发射 2. NDVI= (Ch2 - Ch1)/(Ch2 + Ch1)指的是（ D ）。 A.比值植被指数 B.差值植被指数 C.差比值植被指数 D.归一化差值植被指数 3. 大气窗口是指（C）。 A.没有云的天空区域 B.电磁波能穿过大气层的局部天空区域 C.电磁波能穿过大气的电磁波谱段 D.没有障碍物阻挡的天空区域 4. 图像灰度量化用6比特编码时，量化等级为（ B ）。 A.32个 B.64个 C.128个 D.256个 5. 图像融合前必须先进行（ A ）。 A.图像配准 B.图像增强 C.图像分类 6. 大气对太阳辐射的影响是多方面的，下列（ C ）影响并不改变太阳辐射的强度。 A.大气对太阳辐射的散射 B.大气对太阳辐射的吸收 C.大气对太阳辐射的折射 D.云层对太阳辐射的反射 7.黑体辐射是在特定温度及特定波长由理想放射物放射出来的辐射，其特点（ B ）。 A. 吸收率为0 B.反射率为0 C.发射率为0 D.透射率为1 8. 遥感图像目视解译方法中，利用遥感影像解译标志和解译者的经验,直接确定目标地物属性的，是下面哪种方法（ A ）。 A.直接判读法 B.对比分析法 C.信息复合法 D.综合分析法 9.计算植被指数NDVl，主要使用以红波段和下面哪个波段（ C ）。 A.紫外波段 B.蓝色波段 C.近红外波段 D.绿波段 10.以下不是高光谱遥感特点的有（ A ）。 A.它与多光谱遥感含义相同。 B.它可以将可见光和红外波段分割成相对更连续的光谱段。 C.它需要面对海量数据处理问题。 D.它每个通道的波长范围比多光谱遥感要小得多。 11.探测植被分布，适合的摄影方式为（ C ）。 A.近紫外摄影 B.可见光摄影 C.近红外摄影 D.多光谱摄影 12.下面关于遥感卫星的说法正确的是（ D ）。 A.1999年美国发射IKNOS，空间分辨率提高到1米。 B.加拿大发射RADARSAT卫星是世界上第一个携带SAR的遥感卫星。 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 ABSTRACT Satellite 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 太阳同步轨道卫星 太阳同步轨道卫星，轨道倾角大于90度且在两极附近通过，所以也为近极轨卫星，它的轨道面与太阳的取向一致，所以叫太阳同步卫星。每天向东移动0.9856度,这个角度正好是地球绕太阳公转每天东移的角度。 简介 太阳同步轨道(Sun-synchronous orbit 或Heliosynchronous orbit)指的就是卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道的倾角(轨道平面与赤道平面的夹角)接近90度，卫星要在两极附近通过，因此又称之为近极地太阳同步卫星轨道。为使轨道平面始终与太阳保持固定的取向，因此轨道平面每天平均向地球公转方向(自西向东)(即360度/年)。 计算公式 轨道平面绕地球自转轴旋转的方向与地球的公转方向相同、旋转角速度等于地球公转的平均角速度(即0.9856°/d或360°/a)的人造地球卫星轨道。太阳同步轨道的半长轴α、偏心率e和倾角¡这3个轨道要素必须满足以下关系式: Cosi=-4.7737×10-15 (1-e)2a(7/2) 式中a的单位为km。由该式可知，太阳同步轨道的倾角必须大于90°，即它是一条逆行轨道。在圆轨道时，倾角最大为180°，所以太阳同步轨道的高度不会超过6000km。在太阳同步轨道上运行的卫星，从相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的(见图)。例如，卫星最初由南向北(升段)经过北纬40°上空是当地时间早晨8点。由于地球公转，即使地方时相同，不同季节的地面光照条件也有明显差别。但在一段不长的时间内光照条件可视为大致相同。选择适当的发射时间，可以使卫星经过一些地区时，这些地区始终有较好的光照条件，这样卫星在这些地区的上空始终处于太阳光的照射下，不会进入地球阴影，太阳电池可以充足供电而不会中断。倾角大于90°的太阳同步轨道还兼有极轨道的特点，可以俯瞰整个地球表面。气象卫星、地球资源卫星一般都选取太阳同步轨道，以使拍摄的地面目标图像最好。太阳同步轨道的精度要求很高。为了较长时间保持与太阳"同步"，卫星需要配备轨道控制系统，用于修正轨道误差和不断克服摄动力的影响。 卫星举例 下面结合当前研究内容，以ODIN卫星为例理解一下: 卫星轨道面与太阳取向一致，则卫星不像地球同步卫星一样随地球自转而转动，即卫星只有沿轨道方向速度，没有沿地球自转方向即自西向东方向旋转速度。严格地说，还是有自西向东的速度的，因为地球在自西向东公转，所以卫星要保持轨道面与太阳取向一致，必须有一个与地球公转一致的角速度，即360度/(365天)=0.9863度/天。 卫星总是在相同的地方时经过同一位置。比如，每天上午10:00经过长春上空，每天下 航天飞行器动力学原理 A 卷一、轨道力学的定义是什么 ,简述主要的研究内容。二、什么是轨道要素，典型的轨道要素如何描述航天器的轨道特性，给出典型轨道的定义，并用图示方法具体说明。 三、简述太阳同步轨道，地球同步轨道，地球静止轨道，临界轨道以及回归轨道的定义，说明上述各种对应轨道要素应满足的数学条件。 四、根据322R R dt R d ,说明L E H ,,三个积分常量及其具体含义（物理意义）。 五、什么是霍曼转移轨道，试求平面内霍曼轨道转移所需的两次轨道增量和变轨作用时间（包括轨道转移和轨道交会的时间条件）。 六、弹道导弹弹道一般由哪几段组成，各段有什么特点？ 七、弹道导弹自由飞行段的最大射程弹道是惟一的， ，已知关机点速度0q ，试根据开普勒方程给出自由飞行段最大射程角 ，最大射程对应的关机点当地弹道倾角0的表达式（利用半通径0,q 的关系）。 八、忽略地球转动并假设地球为圆球形， 设导弹以常值当地弹道倾角再入，已知再入点高度e h 和当地弹道倾角e ，再入段射程如何计算？ 九、分析垂直上升段飞行时间计算公式1//40001G P t 的物理意义。 十、什么是比力，加速度计感受到的是什么量，导引惯性加速度和比力的关系？ 航天飞行器动力学原理 B 卷(补考) 一、轨道力学定义，内容二、瞬时轨道要素，平均轨道要素，开普勒轨道要素的定义，区别 三、太阳同步轨道定义，数学条件，特点 四、根据322R R dt R d ,说明L E H ,,三个积分常量及其具体含义（物理意义）五、轨道平面转移相关（一次脉冲和三次脉冲的分界点） 六、主动段氛围哪几段，要求是是什么。 七、已知关机点的r,v ,从发射坐标系转换到当地铅锤坐标系。 八、求q,e,a 和000,,v r 的关系 利用cos 1/e p r 说出为什么会有高低轨道 （20分）九、推导再入段方程组力垂直于速度方向的方程（原题给出了方程，我懒得写了） 太阳同步冻结轨道及对地覆盖 参数计算 1任务概述 航天器的有效载荷要求轨道高度为h=786km，要求轨道复现周期为D=26日。计算该航天器太阳同步冻结轨道参数和地面覆盖角d、每天运行圈数n、j、复现总圈数N、覆盖重叠率等。 2太阳同步冻结轨道参数计算 地球半径R=6378km，则太阳同步轨道半径r=a=6378+786=7164km。太阳同步轨道卫星的轨道平面绕地球极轴进动的角速度等于地球绕太阳公转的平均角速度0.985647度/日。由于是太阳同步轨道，故卫星轨道的升交点赤经的长期变化率等于地球绕太阳公转的平均角速度，即： 0.9856=-9.964*(R/a)^(7/2)*cos(i). 可以求得轨道倾角i=98.5度。 由公式可知，当i=90o或=270o时，de/dt=0,dw/dt=0。对于1000km以下轨道高度，只有i小于2o时，才取=270o，在其余倾角下均取=90o 此时： 即： 可以求得e=0.0010308. 3航天器对地面覆盖各参数计算 根据几何关系，覆盖角d与R的关系如下： d=arccos(sin)-arccos(sin/R) (6) 可以得到d=27度 轨道的交点周期： T=Ts*(1-1.5*J2*(R/a)^(2)*(3-4*(sin(i))^2))=6041s 其中恒星周期： Ts=2*pi*(a^(3)/u)^(1/2)。=1.678h 由24/T=N/D（D=26d） 得：N=371. 则每天运行圈数n=N/D=14.27. n取整为14，则根据n+j/D=N/D得：j=7。 覆盖重叠率x%=1-180/((n*D+j)*d)=98.24%. 极轨气象卫星的运动采用近极地太阳同步轨道，卫星轨道平面和太阳光线保持固定的交角。卫星每天差不多在固定的时间经过同一地区两次。极轨气象卫星的轨道接近圆形，飞行高度约为600～1500公里，卫星倾角约为81度～103度，每条轨道都经过高纬度地区。地球自转，使一个极轨卫星每隔12小时左右就可以获得一次全球的气象资料。 卫星运行时，卫星上装备的仪器对地面所取的方向，称为卫星的姿态。如果仪器不是正对地球表面，拍摄照片时照相机是倾斜的，所得照片在各处的比例差别很大，有的区域被拉长，有的区域被压缩，云图的定位误差就比较大。为了提高定位精度，应尽量使卫星携带的仪器正对地球表面。所以，在气象卫星上，采用了各种姿态控制技术，70年代以来，投入使用的气象卫星已采用三轴地球定向姿态，保证遥感仪器时刻对准地球，姿态控制精度达到了正负0.1度以上。这样，不但提高了观测精度，也增加了有效观测时间。 卫星上携带的电视照相机可以在白昼拍摄可见光云图，而扫描辐射仪则无论在白昼和黑夜都能拍摄红外云图。20世纪70年代的扫描辐射仪主要采用两个波段：—个在0.52～0.73微米(可见光)，另一个在10.5～12.5微米(红外)。外界辐射由旋转的扫描反射镜反射后，经过聚光和滤光后到达可见光感应元件和红外感应元件上。扫描反射镜同旋转轴成45度角，旋转轴和卫星飞行方向一致。扫描反射镜每转动一周，分别对着外空(外空是温度约为3K的辐射源)和卫星内的恒温黑体各扫描一次。用这两个信号作为校准点，可以得出所测地球和大气的辐射数值。扫描线和卫星轨道垂直，随着卫星的前进和地球的自转，扫描出长条形的云图。 在红外云图上，不同的亮度代表不同的温度，对流层大气的温度是随高度降低的，因此由云顶温度可判别云顶高度。在可见光云图上，云顶和雪面对阳光反射率相近，都是白色，很难区分，而在红外云图上，却可以由它们亮度的差别区分开来。卫星云图的水平分辨率各不相同，最高分辨率可达1公里左右。 气象卫星携带的红外探测器通过滤光或分光设备可以测量地球和大气向卫星发出的不同波长的红外辐射强度。由卫星上用红外探测器接收到的若干不同波长的红外辐射强度，根据红外大气遥感原理，可以计算各地晴空大气温度和湿度的铅直分布。但在云量较多时，云的影响难以消除，云层内部和云层以下的温度和湿度的分布无法用红外探测器进行探测。 气象卫星上携带的微波辐射仪，根据微波大气遥感原理，可以探测云上和云下的大气温度和湿度的分布，以及云中含水总量和雨强的分布。当海面的风速增加时，波浪造成的泡沫，使海面向上空发射的波长为1.55厘米的微波辐射增强，在卫星上测得的这个波长的微波辐射，可用以推算海面风速的分布。 大气中的臭氧能吸收太阳发出的紫外辐射。利用卫星上的紫外光谱仪测量大气向卫星散射的太阳紫外辐射强度，可以算出大气中臭氧的分布。 平板辐射仪用于测量地球和大气向上发射的红外辐射总能量，以及地-气系统反射太阳辐射总能量的一种仪器。探测所得的资料用于研究地球和大气辐射收支和气候变化的规律。 空间环境监测器是用来测量太阳发射的质子、a粒子和电子的通量密度的一种仪器，为高层大气物理和日地空间物理研究提供资料。 自60年代初期以来，气象卫星已经有近50年的历史，它由低轨道发展到高轨道；由旋转稳定发展到三轴定向的姿态控制；由单波段的定性二维探测发展到多波段的定量三维探测；由比较单纯的气象试验发展到多学科的综合应用。并已广泛采用数字资料传送方式，以代替过去的模拟信号传送。地球同步气象卫星和极轨气象卫星，在世界天气监视网中已经发挥了并将继续发挥巨大的作用。 太阳同步回归轨道卫星的重访特性研究 贾向华，徐明 (北京航空航天大学宇航学院，北京 100191) 基金项目：国家自然科学基金项目(11172020)；北京市自然科学基金项目(4153060) 作者简介：贾向华(1991—)，男，硕士研究生，主要从事航天器轨道动力学研究。 通讯作者：徐明(1981—)，男，副教授，博士生导师，主要从事航天器轨道动力学与控制等研究。 本文引用格式：贾向华，徐明.太阳同步回归轨道卫星的重访特性研究[J].兵器装备工程学报，2017(5):159-163. Citation：format:JIA Xiang-hua, XU Ming.Research on Revisit Properties for Sun-Synchronous RGT Orbits’Satellite[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):159-163. 摘要：针对太阳同步回归轨道的重访问题，提出了探究重访特性的系统方法。该方法以Q 值建立太阳同步与回归轨道间的联系；采用基本交点距的描述方法，将回归周期内轨道的访问顺序加以量化；应用数论中的贝祖定理，将重访周期的确定转换为求解一丢番图代数方程。仿真算例选以光学载荷对地观测为前提，得到了特定回归周期轨道的访问顺序及地面覆盖情况，确定了相应的重访特性；此外，以轨道高度范围为约束，以快速重访为目标，确定了太阳同步回归轨道的设计方法。结果表明，该方法可以确定具有良好重访特性的最优解。 关键词：太阳同步回归轨道；重访特性；基本交点距；贝祖定理 遥感卫星等对地观测卫星近年来取得了长足发展，对地观测的空间分辨率可达米级，甚至亚米级，在军事、民用等领域均有重要应用。由于遥感卫星所搭载的光学成像载荷(如星载CCD传感器)要求光照条件相对稳定，且根据任务需求，遥感卫星应在一定时间内对特定区域进行重复观测。因此，太阳同步回归轨道广泛地被对地观测卫星所采用。 太阳同步回归轨道具有太阳同步和回归轨道的双重特点，满足遥感卫星的任务要求。早期的轨道设计主要以经验为主，没有通用的准则，限制了遥感卫星轨道设计的规范化 遥感原理与应用复习题 一、名词概念 1. 遥感 广义：泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测。 狭义：是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。 2. 传感器 传感器是遥感技术中的核心组成部分，是收集和记录地物电磁辐射能量信息的装置，如光学摄影机、多光谱扫描仪等，是获取遥感信息的关键设备。 3. 遥感平台 遥感平台是转载传感器进行探测的运载工具，如飞机、卫星、飞船等。按其飞行高度不同可分为近地平台、航空平台和航天平台。 4. 地物反射波谱曲线 地物的反射率随入射波长变化的规律称为地物反射波谱，按地物反射率与波长之间的关系绘成的曲线称为地物反射波谱曲线（横坐标为波长值，纵坐标为反射率） 5. 地物发射波谱曲线 地物的发射率随波长变化的规律称为地物的发射波谱。按地物发射率与波长之间的关系绘成的曲线称为地物发射波谱曲线。（横坐标为波长值，纵坐标为总发射） 6. 大气窗口 通常把通过大气而较少被反射、吸收或散射的透射率较高的电磁辐射波段称为大气窗口。 7. 瑞利散射 当微粒的直径比辐射波长小许多时，也叫分子散射。 8. 遥感平台 遥感平台：遥感中搭载传感器的工具统称为遥感平台。 遥感平台按平台距地面的高度大体上可分为地面平台、航空平台和航天平台三类。 9. TM 即专题测图仪，是在MSS基础上改进发展而成的第二代多光谱光学-机械扫描仪，采用双向扫描。 10. 空间分辨率 图像的空间分辨率指像素所代表的地面范围的大小，即扫描仪的瞬间视场或地面物体能分辨最小单元，是用来表征影像分辨地面目标细节能力的指标。通常用像元大小、像解率或视场角来表示。 11. 时间分辨率 时间分辨率指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。 12. 波谱分辨率 波谱分辨率指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔，也称光谱分辨率。间隔愈小，分辨率愈高。 13. 辐射分辨率 指传感器接收波谱信号时，能分辨的最小辐射度差。 14. 传感器 传感器，也叫敏感器或探测器，是收集、探测并记录地物电磁波辐射信息的仪器。 篇一：基于stk的卫星总体任务分析与设计实验指导书 航天课程实验平台: 基于stk的卫星总体任务分析与设计实验指导书 2006.04.01前言 实验背景 随着我国航天事业的蓬勃发展，为了培养高层次的专业化航天人才,本学科拟建成航天类课程实验平台，并准备为研究生开设相关实验课程。 本平台是利用国际先进的stk软件进行二次开发而形成的，satellite tool kit即卫星工具包，是航天工业领先的商品化分析软件，它可以快速方便地分析复杂的陆、海、空、天任务，并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果，确定最佳解决方案。它支持航天任务周期的全过程，包括政策、概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用。 实验目的及任务 该实验平台的建设目标是培养学生对飞行器设计理论与实验方法的掌握，对仿真实验的理解与操作，提高动手能力，为将来毕业走上工作岗位打下扎实的基础。因此，本实验平台将成为航天类课程教学的一个重要内容。 本实验平台集教学与实验为一体，充分发挥学生的创造性，培养学生实际应用能力。使学生能将所学的专业知识具体化、形象化、可视化，达到全方位立体化的教学效果。 实验组成 实验平台主要由以下五个部分组成： 1. 太阳同步/回归轨道设计与分析 2. 地面站测控方案设计与分析 3. 地面目标覆盖特性分析 4. 卫星太阳电池阵光照特性分析 5. 卫星机动轨道的斯基与分析 实验设备 硬件：标配计算机一台，其它仿真设备若干 软件：windows xp操作系统，4.0版本以上stk软件实验1:太阳同步/回归轨道设计与分析1.1 实验目的 ? 了解stk软件的一般功能 ? 掌握stk软件的基本操作 ? 学会如何建立新场景 ? 学会如何创建设置新卫星 1.2 实验步骤 一．建立与设置场景 在创建卫星之前，我们要学会如何建立基本场景(scenario)。 1. 启动stk，点击scenario 图标创建新场景，命名为1scenario。 2. 在对象浏览器窗口选中1scenario，然后从properties菜单中选择basic 也可以右键点击场景1scenario，在弹出的快捷菜单中选择basic。 3. 如表1-1所列，设置time period属性页的参数如下。 表1-1 示例场景basic类time period属性设置4. 如表1-2所示，设置animation属性页参数如下。 5. 如表1-3所示，设置units属性页参数如下。 表1-2 示例场景basic类units属性设置 6. 选择description属性页，在description的空栏里，填入my basics scenario 7. 全部完成后，点击“确定” 现在，已经建立了基本场景，下一步就是在场景中创建卫星，通过对卫星轨道的定义，来实现太阳同步轨道以及回归轨道的设计. 二．建立与设置卫星 首先，创建太阳同步轨道卫星，步骤如下。 1. 在浏览窗口，点击satellite图标，创建一个新卫星，可以利用轨道向导orbit wizard 遥感概论复习题 一、遥感名词解释： 1. 遥感 2.电磁波谱 3、电磁波 4、微波5、米氏散射6.瑞利散射7. 漫反射 8. 光谱反射率 9. 二向性反射因子（BDRF）10. 大气窗口 11.地物光谱特性 12.地物反射波谱曲线13、发射率14. 亮度温度 15. 辐射亮度16.太阳常数 17电磁辐射18.太阳辐射19、黑体 20黑体辐射 21选择性辐射体 22. 图像空间分辨率 2 3. 光谱分辨率 2 4.辐射分辨率 2 5.空间分辨率2 6.时间分辨率 2 7.遥感平台 28、卫星轨道参数 29. 静止轨道卫星 30.地球同步卫星31.近极轨卫星 32、传感器 33. 被动式传感器 34.成像光谱仪 35.热红外遥感 36. 微波遥感 37. 雷达 3 8.真实孔径雷达 3 9. 合成孔径雷达40. 中心投影 41. 瞬时视场角 42. 真彩色合成 43. 标准假彩色合成 44、图像反差增强（反差拉伸） 45、滤波增强处理 46、直方图均衡化 47、数字图像直方图 48、假彩色等密度分割 49.边缘检测 50.纹理特征 51. 大气校正 52、辐射校正53.辐射传输方程 54. NDVI 55. 植被指数 56.数字影像 57.遥感影像地图 58. 立体观察 59、直接解译标志 60.间接解译标志 62.色调 63. 非监督分类 64、监督分类65、高光谱遥感 66.BSQ 67误差矩阵68.解译精度 二、判断 1. 光机扫描用机械转动光学扫描部件来完成单元或多元列阵探测器目标的二维扫描。 2. 热红外遥感不能在夜晚进行。 3. 辐射纠正是消除辐射量失真的处理过程，大气纠正是消除大气影响的处理过程。 4. 观察像对时，观察者的眼基线应当与像对上相同地物点的连线保持垂直。 5. 专题制图仪TM是NOAA气象卫星上携带的传感器。 6. 可见光波段的波长范围是0.38-0.76cm（厘米）。 7. 利用人工发射源，获取地物反射波的遥感方式叫做被动遥感。 8. 中心投影中，像片上的像主点与像底点总是表示像片上不同的两个位置。 9. 太阳辐射能量主要集中在0.3-3μm，最大值为0.47μm。 10. 在军事遥感中，利用可见光波段可以识别绿色植物伪装。 11. 空间分辨率是指一个影像上能详细区分的最小单元的大小，常用的表现形式有：像元、像解率和视场角。 12. 直方图均衡化是一种把原图像的直方图变换为各灰度值频率固定的直方图的变换。 13. 水在蓝光波段反射率稍高，到近红外波段，水成了全吸收体。 14. SPOT是法国发射的太阳同步准回归轨道的高性能地球观测卫星。 15. 在全息摄影中，除了记录电磁波的振幅信息，同时还记录位相。 16. 微波辐射计是主动传感器，微波高度计是被动传感器。 17. 气象卫星遥感数据只能应用于气象领域。 三、简答题 1. 试述植被、水、岩石、雪的反射光谱具有哪些特点？ 飞行力学轨道动力学习题课 1. 地球回归轨道卫星参数需满足如下的方程式： 122j L L k π?+?= 其中 ()12E T L rad rev T π ?=- () ()2222 2 23cos 1e J R i L rad rev a e π?=- - a) 地球回归轨道的主要特性是什么？ b) 太阳同步轨道的主要特性是什么？ c) 推导同时满足地球回归和太阳同步轨道的卫星轨道周期表达式。 d) 计算地球回归轨道（43轨，3天）的轨道半长轴。 e) 计算相应轨道的轨道倾角。 数据：23564h m s E T =；365.25days ES T =；32398600.4415Earth u km s =； 6378.137e R km =；62108210J -=?。 解： a) 卫星地面轨迹在整数轨道和整数天之后重复。 b) 太阳矢量同卫星轨道的夹角保持不变。 c) 太阳同步轨道：()2 2ES L T π?=。得到 ()()()11E ES E ES ES E T k j T kT T j T T ??? ?=-=-????。 d) 6027.97158.74T s a km =→=。 e) ()098.53o e i =→=。 2. 考虑从185km 的停泊轨道开始进行轨道转移，到达800km 的目标轨道。（圆轨道，同一平面内） a)计算初始和目标轨道上的轨道速度？ b)计算转移轨道的半长轴和偏心率？ c)计算所需速度脉冲V ?（第一个速度脉冲，第二个速度脉冲）。 d)计算轨道转移时间。 数据：32398600.4415Earth u km s =，6378.137e R km =。 解： a) ,1857.793/c V km s =，,8007.452/c V km s =。 b) 6870.5a km =，0.045e =。 《遥感原理与应用》模拟题（补） 一．单项选择题 1. 到达地面的太阳辐射与地面目标相互作用后能量可分为三部分，不包括下面哪种辐射（ ）。 A.反射 B.吸收 C.透射 D.发射 2. NDVI= (Ch2 - Ch1)/(Ch2 + Ch1)指的是（）。 A.比值植被指数 B.差值植被指数 C.差比值植被指数 D.归一化差值植被指数 3. 大气窗口是指（）。 A.没有云的天空区域 B.电磁波能穿过大气层的局部天空区域 C.电磁波能穿过大气的电磁波谱段 D.没有障碍物阻挡的天空区域 4. 图像灰度量化用6比特编码时，量化等级为（）。 A.32个 B.64个 C.128个 D.256个 5. 图像融合前必须先进行（）。 A.图像配准 B.图像增强 C.图像分类 6. 大气对太阳辐射的影响是多方面的，下列（）影响并不改变太阳辐射的强度。 A.大气对太阳辐射的散射 B.大气对太阳辐射的吸收 C.大气对太阳辐射的折射 D.云层对太阳辐射的反射 7.黑体辐射是在特定温度及特定波长由理想放射物放射出来的辐射，其特点（）。 A. 吸收率为0 B.反射率为0 C.发射率为0 D.透射率为1 8. 遥感图像目视解译方法中，利用遥感影像解译标志和解译者的经验,直接确定目标地物属性的，是下面哪种方法（）。 A.直接判读法 B.对比分析法 C.信息复合法 D.综合分析法 9.计算植被指数NDVl，主要使用以红波段和下面哪个波段（）。 A.紫外波段 B.蓝色波段 C.近红外波段 D.绿波段 10.以下不是高光谱遥感特点的有（）。 A.它与多光谱遥感含义相同。 B.它可以将可见光和红外波段分割成相对更连续的光谱段。 C.它需要面对海量数据处理问题。 D.它每个通道的波长范围比多光谱遥感要小得多。 11.探测植被分布，适合的摄影方式为（）。 A.近紫外摄影 B.可见光摄影 C.近红外摄影 D.多光谱摄影 12.下面关于遥感卫星的说法正确的是（）。 A.1999年美国发射IKNOS，空间分辨率提高到1米。 B.加拿大发射RADARSAT卫星是世界上第一个携带SAR的遥感卫星。遥感试题
太阳同步回归轨道设计、仿真研究
太阳同步轨道卫星
2018年北京航空航天大学宇航学院航天飞行器动力学原理试题-精选.pdf
太阳同步冻结轨道及对地覆盖计算
极轨气象卫星的运动采用近极地太阳同步轨道
太阳同步回归轨道卫星的重访特性研究
遥感原理与应用复习题
STK指导书
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