虽然前面已经给出了二体问题运动微分方程的解,但任何一种天体的运动都不是严格意义上的二体问题。在推导二体问题运动方程时,事实上做了如下假设:①作用力仅为引力;②天体为圆球形且密度均匀,其质量可视为集中在球心(即点质量模型),所以卫星轨道的六个轨道根数 σ ( t )[用 σ =( σ 1 , σ 2 ,…, σ 6 ) T 表示六个轨道根数]为常数。如果已知观测数据所确定的历元时刻 t 0 的卫星位置 r ( t 0 )和速度 ,就可以求解出 t 0 时刻的卫星轨道根数 σ ( t 0 );而用此轨道根数 σ ( t 0 )又可根据二体问题公式推算出任意时刻 t 的卫星位置 r 0 ( t )和速度 。
显然,对于卫星的真实轨道来说,二体问题的解只是一组近似解,它的精度不能满足许多卫星工程应用的需要,如卫星导航、精密定位、飞行试验、轨道交会和对接等,这些应用都需要提供精确的轨道根数和精确的瞬时位置、速度。因此,精确的卫星轨道解算,必须考虑地球重力场摄动力、日月摄动力、大气阻力、光压摄动力、潮汐摄动力等的影响。在这些摄动力的作用下,卫星在任意时刻 t 的卫星位置 r ( t )、速度 与由二体问题推算的位置 r 0 ( t )、速度 是不同的,两者相差一个摄动量 δ ,即
其对应的轨道根数 σ ( t )与二体问题的历元时刻 t 的根数 σ 0 ( t )也不相同,有
σ ( t )= σ 0 ( t )+ δσ ( t )
通常称 r ( t )、 为摄动位置、摄动速度, δr ( t )、 为位置摄动、速度摄动;称 δσ ( t )为轨道根数摄动, σ ( t )为对应于 t 时刻的瞬时轨道根数。
这说明卫星摄动运动的轨道根数不再保持为常数,而是随着时间变化的,而且摄动运动的轨道是一个变化的椭圆。如果能以一定方法求得卫星的瞬时轨道根数 σ ( t ),即可按二体问题的方法解出 t 时刻卫星的位置和速度;反之,如能求得 t 时刻卫星的位置 r ( t )和速度 ,也可根据二体问题的方法算得 t 时刻卫星的瞬时轨道根数 σ ( t )。
本章主要介绍研究人造地球卫星运动规律常用的几种摄动运动方程,并引用一些结论,以说明人造地球卫星绕地球运行过程中的受力情况。