技术支持
日凌的天文背景
首页 > 技术支持 > 日凌计算 > 日凌的天文背景
太阳每年在春分和秋分的时候两次穿过赤道面,而地球静止卫星的轨道平面非常接近赤道面,此时卫星、地球和太阳共处在一条直线上,这种现象将导致两种卫星事件,即发生在卫星星下点当地时间子夜前后的星蚀和正午前后的日凌。图1给出了这两种事件的天文背景。

星蚀和日凌将对卫星的在轨管理和通信造成一定的影响。
星蚀
星蚀期间卫星处于地球的阴影中,如同在卫星上发生日食一样。星蚀发生在春分和秋分前后的四十多个夜间,几乎每年的发生日期都相同,即从2月26日到4月13日和从8月31日到10月16日,最多相差1天,取决于当年春分和秋分的发生时刻。星蚀期间卫星每天处于地影中的时间不等,在春分和秋分时达到最长,约72分钟。图2和图3给出了星蚀的时间分布图。


发生星蚀时,从卫星的角度看去,地球的半张角为8.7度,太阳张角为0.5度。因而在全影的两侧各有0.5度的半影。以定点于东经110.5度的鑫诺一号卫星为例,给出部分星蚀日期及时长见下表,其中时间为北京时,计算中假设卫星总保持在110.5度。
日期 进入半影时刻 进入本影时刻 离开本影时刻 离开半影时刻 星蚀时长
(分钟)
8月31日 00:30:16 --:--:-- --:--:-- 00:46:44 16.5
9月 1日 00:25:16 00:33:49 00:42:33 00:51: 7 25.9
9月10日 00: 5:28 00: 8: 4 01: 2:17 01: 4:53 59.4
9月22日 23:54:43 23:56:50 01: 4:14 01: 6:22 71.7
10月 2日 23:54:51 23:57:14 00:57: 8 00:59:31 64.7
10月14日 00: 8:23 00:14:13 00:33:59 00:39:50 31.4
10月16日 00:16:50 --:--:-- --:--:-- 00:30:28 13.6

卫星处于地影期间,太阳帆板电池停止工作,太阳参考方向丢失。因此在星蚀发生前应该对卫星进行一些操作,切换星上的一些仪器设备,如关闭部分有效载荷;打开蓄电池以供应卫星所需能源,保证部分转发器正常工作等。所幸星蚀发生的时间为子夜,这时电话和数据传输等业务很少。如果把卫星定点于服务区略偏西部的上空,则可以使星蚀发生在子夜以后。
日凌
与星蚀不同的是,日凌会对每个地球站的通信造成干扰。由于太阳的噪声温度超过了25000K,当地球站的天线对准卫星,而太阳出现在卫星的背后时,地球站天线会接收到极强烈的太阳噪声,系统之信噪比S/N0降低到解调门限之下,导致通信中断。对每个地球站,每年有2次连续数日都有日凌中断发生。日凌中断的日期与地球站的地理纬度有很大关系。当太阳由南往北穿过赤道面时,即春分前后,北半球高纬度地区首先发生日凌现象;当太阳由北往南穿过赤道面时,即秋分前后,日凌首先从南半球高纬度地区开始。位于卫星定点位置西边的地球站总是早于卫星定点位置以东的地球站发生日凌。图4和图5给出了口径为4.5米、频率为4GHz的天线在春分、秋分前后不同纬度地区的日凌发生日期。


日凌中断的时长与地球站天线口径和频率密切相关。太阳的视角约为0.5度,太阳必须完全穿过天线波束投影区,日凌才结束。而天线在卫星距离处的波束投影范围可以用天线波束半功率密度来表示,即:

其中,λ为波长,c为光速,f为天线频率,D为天线直径。例如口径为1.2米频率为4GHz的天线,其波束半功率密度为2.3度;而同样口径频率为12GHz的天线,其波束半功率密度为0.8度。因而,天线口径越大,频率越高,日凌中断持续的时间越短。



图6给出了频率分别为4GHz和12GHz的天线的波束宽度与天线口径的关系。
以定点于东经110.5度的鑫诺一号卫星为例,下面给出几个地球站的日凌发生时间和时长。时间为北京时。



新加坡 经度:103.8度 纬度:1.3度 天线直径:1.2米 天线频率:4GHZ
日期 日凌开始时刻 峰值时间段 日凌结束时刻 持续时间
(分钟)
9月17日 12:23:46 --:--:-- --:--:-- 12:31:43 8.0
9月18日 12:20:50 12:25:29 12:29:17 12:33:56 13.1
9月19日 12:18:57 12:21:56 12:32: 7 12:35: 6 16.1
9月20日 12:17:34 12:20: 5 12:33:15 12:35:46 18.2
9月21日 12:16:32 12:18:49 12:33:48 12:36: 5 19.6
9月22日 12:15:47 12:17:57 12:33:58 12:36: 8 20.4
9月23日 12:15:17 12:17:25 12:33:48 12:35:55 20.6
9月24日 12:15: 1 12:17:10 12:33:20 12:35:29 20.5
9月25日 12:15: 0 12:17:15 12:32:34 12:34:49 19.8
9月26日 12:15:15 12:17:42 12:31:26 12:33:52 18.6
9月27日 12:15:50 12:18:40 12:29:47 12:32:37 16.8
9月28日 12:16:53 12:20:46 12:27: 1 12:30:54 14.0
9月29日 12:18:45 --:--:-- --:--:-- 12:28:22 9.6


新加坡 经度:103.8度 纬度:1.3度 天线直径:1.2米 天线频率:12GHZ
日期 日凌开始时刻 峰值时间段 日凌结束时刻 持续时间
(分钟)
9月21日 12:23:50 --:--:-- --:--:-- 12:28:48 5.0
9月22日 12:22:12 12:24:58 12:26:57 12:29:43 7.5
9月23日 12:21:28 12:23:36 12:27:37 12:29:45 8.3
9月24日 12:21:20 12:23:45 12:26:46 12:29:11 7.8
9月25日 12:21:57 --:--:-- --:--:-- 12:27:52 5.9


北京 经度:116.45度 纬度:39.92度 天线直径:1.2米 天线频率:4GHZ
日期 日凌开始时刻 峰值时间段 日凌结束时刻 持续时间
(分钟)
10月 2日 12:28:49 --:--:-- --:--:-- 12:32: 9 3.3
10月 3日 12:24:30 --:--:-- --:--:-- 12:35:50 11.3
10月 4日 12:22:20 12:25:45 12:33:58 12:37:23 15.0
10月 5日 12:20:49 12:23:31 12:35:36 12:38:18 17.5
10月 6日 12:19:42 12:22: 5 12:36:26 12:38:49 19.1
10月 7日 12:18:54 12:21: 7 12:36:49 12:39: 2 20.1
10月 8日 12:18:21 12:20:30 12:36:52 12:39: 1 20.7
10月 9日 12:18: 2 12:20:11 12:36:38 12:38:47 20.7
10月10日 12:17:57 12:20: 9 12:36: 7 12:38:19 20.4
10月11日 12:18: 7 12:20:27 12:35:17 12:37:37 19.5
10月12日 12:18:33 12:21: 9 12:34: 5 12:36:40 18.1
10月13日 12:19:21 12:22:27 12:32:17 12:35:24 16.0
10月14日 12:20:37 12:25:41 12:28:35 12:33:38 13.0
10月15日 12:22:55 --:--:-- --:--:-- 12:30:53 8.0


北京 经度:116.45度 纬度:39.92度 天线直径:1.2米 天线频率:12GHZ
日期 日凌开始时刻 峰值时间段 日凌结束时刻 持续时间(分钟)
10月 6日 12:28:14 --:--:-- --:--:-- 12:30:17 2.1
10月 7日 12:25:38 --:--:-- --:--:-- 12:32:18 6.7
10月 8日 12:24:37 12:26:54 12:30:28 12:32:45 8.1
10月 9日 12:24:16 12:26:27 12:30:21 12:32:33 8.3
10月10日 12:24:30 --:--:-- --:--:-- 12:31:46 7.3
10月11日 12:25:44 --:--:-- --:--:-- 12:30: 0 4.3


对静止卫星通信系统来说,日凌中断一般是难以避免的。除非用两颗定点于不同经度的卫星,在日凌中断出现前将信道转接到另一颗卫星上。