卫星在轨道上运动时会发生不同程度地偏离由椭圆轨道方程所确定的理想轨道,这一现象称为摄动。
引起卫星轨道发生摄动的力学因素有以下4个 [2-4] 。
(1)地球引力场的不均匀性。它是由于地球质量分布的不均匀性造成的。我们知道地球并不是一个均匀的球体,而是略呈扁椭圆状,地球的赤道半径(约6 378 km)要比极半径(南、北极到地心)大约长21 km;另外,由于地形、地貌的不同,地球表面是起伏不平的,而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是不均匀的,从而造成卫星的摄动。
(2)大气阻力。当卫星在空间中运动时,虽然大气密度非常低,但由于卫星运动速度非常快,当轨道高度较低时,大气阻力的影响仍是很明显的。卫星轨道高度越低,遭受的大气阻力越大。
(3)太阳光压。通常对于小卫星来说,太阳光对卫星产生的压力是可以忽略的;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。卫星受到太阳光照射的表面积越大、轨道高度越高,太阳光压的影响越明显。
(4)日、月等的作用。卫星绕地球运动时,除受到地球的引力影响外,还受到太阳和月亮等其他天体产生的引力影响。对于低轨道高度的卫星,地球的引力占绝对优势,但随着轨道高度的提高,虽然地球的引力仍占主导地位,但太阳和月亮产生的引力对卫星运动产生的影响已不能忽略,高度越高,这种影响越明显。
地球引力场的不均匀性是低轨道卫星的最主要摄动。它主要表现在两个方面:一是使卫星的轨道面围绕地球自转轴缓慢转动,引起轨道面的进动(即升交点位置变化),进动方向与卫星运行方向相反;二是使近地点位置(近地点幅度)变化,并使近地点漂移。
椭圆轨道升交点赤经和近地点幅角的平均变化率分别为
其中, , R e 为地球赤道的平均半径, e 、 a 、 i 分别为卫星轨道的偏心率、半长轴和倾角, 是卫星运动的平均角速率,μ为地球重力常数(3.986×10 14 m 3 /s 2 ),J 2 =1.082 628×10 -3 为地球引力场位函数的带谐系数, T 为卫星轨道周期。
大气阻力引起的摄动是决定近地轨道卫星轨道寿命的主要摄动。它可使椭圆轨道的半长轴和偏心率同时下降,即使轨道逐步圆形化、轨道高度减小,最终导致卫星进入大气层而烧毁。