[科普中国]-卫星摄动

产生原因

引起卫星轨道发生摄动的主要力学因素如下：

地球引力场的不均匀性 这是由于地球质量分布不均匀造成的。因为地球并不是一个十分均匀的球体，而是略呈椭球状，地球的赤道半径（约6378km）要比极半径（南、北极到地心）长21km左右。另外，由于地形、地貌的不同，地球表面是起伏不平的，且地球内部的密度分布也不是完全均匀的，所有这些都使得地球的质量分布不均匀，地球四周等高处的引力不能保持常数。即使在静止轨道上，地心引力仍然有微小的起伏。地心引力的这种不均匀性，导致卫星瞬时速度偏离理论值，产生摄动。1

地球大气层阻力虽然卫星运动空间中大气密度很低，但由于运动速度非常快，大气层的阻力还是会对卫星产生一定的影响。对于高轨道卫星来说，由于它处于高度真空的环境中，故大气层阻力的影响可不考虑。而对于较低轨道的卫星，大气层阻力的影响不容忽略，它将使卫星的机械能受损，轨道逐渐下降。卫星轨道高度越低，遭受的大气层阻力越大。1

太阳、月球引力的作用卫星绕地球运动时，除受到地球的引力影响外，还受到太阳和月球等其他天体的引力影响。对于低轨卫星，地球的引力占绝对优势，太阳和月球的引力影响可以不予考虑。但随着轨道高度的提高，虽然地球的引力仍占主导地位，但太阳和月球的引力对卫星运动的影响已不能再忽略。轨道越高，这种影响就越明显。1

太阳光压对于一般的小卫星来说，太阳光对卫星产生的压力影响是可以忽略的；但对于需要产生大量电功率的卫星而言，由于太阳能电池帆板的表面积比较大，在计算摄动力时就必须要考虑到太阳光压的影响。卫星接受太阳光照射的表面积越大、轨道高度越高，太阳光压的影响就越明显。对于新一代大功率通信和直播卫星，不得不考虑太阳光压所引起的摄动力。

此外，地磁场对带电卫星的作用、磁流体力学效应、地球辐射和卫星本身的高速自转等因素也会对卫星的运动产生一定的影响。

解决卫星摄动的方法通常是根据卫星姿态，在适当的时机通过跟踪遥控指令，利用星上的“位置保持喷射推进装置”作及时调整。1

卫星摄动轨道把卫星围绕地球的运动看作受地球中心力作用的质点运动(天体力学上称为二体问题)并不完全符合实际情况。事实上，地球并不是理想的均匀球体，除地球引力外，卫星还受到月球和太阳的引力以及空气阻力的作用。计及这些因素影响后的卫星运动称为卫星摄动运动，其轨道参数是随时变化的。2

实际上施加于卫星上的力除中心引力场外还有太阳、月亮与其它星体的引力、大气阻力、太阳的光压作用和地磁场的影响等等。因此卫星的轨道不再是严格的椭凹，轨道平面也绝非一平如纸的平面，而且他在空间的方向也不是永远不变的，这样的轨道称为“摄动轨道”。更具体说，摄动轨道概念认为：卫星在不同的时刻沿着不同的椭圆轨道运行，轨道参数每时都在变化，轨道参数的变化导致升交点绕极轴倒退，倾角改变，拱线旋转，椭圆的形状和大小都在变化，经过近地点的时刻也在改变，而且大气阻力会使轨道高度愈来愈低。

卫星的摄动轨道虽不是椭圆，但根据某一瞬间的六个轨道参数，仍能用椭圆表示其轨道。例如在某一特定时刻t0，既可以把卫星看做在他的实际轨道上，又可以看做是在与t0相应时刻的轨道参数a0，e0，i0，所确定的椭圆上，这个椭圆和实际轨道在这一点相切。因此，摄动过程可以看做是无摄动情况下某些参数的修正。

研究结果表明：上述作用于卫星上的各种力当小， 由地球重力场的异常部分因素引起的摄动为最大， 日、月引力和潮汐作用等摄动较小， 而大气阻力对卫星的影响比起儿压作用和电磁效应来说又要大。3