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卫星轨道

卫星轨道分许多种,使用最多的是地球静止轨道,因为该轨道上的卫星相对于地面是静止不动的。

卫星轨道的选择取决于它的用途。用于电视直播的卫星可选择地球静止轨道。许多通信卫星同样使用地球静止轨道。其他卫星系统如用于卫星电话,可能会选择低地球轨道系统。还有许多各种类型的卫星,如气象卫星、科研卫星、导航卫星等等。他们都有各自适合的轨道。

现实中,选择卫星轨道需根据它的功能和服务区域来决定。在某些情况下,卫星轨道可能是低至160km的近地轨道LEO,也可能是高于36000km的地球同步轨道GEO,甚至还有可能是椭圆轨道,而不是圆轨道。

地球引力和卫星轨道

卫星在绕地球运转时,会受到地球引力的作用。如果它们自身没有运动,会被拉回地球,并在掉入地球大气层时烧毁。相反,卫星在绕地球运动时,相应地还有一种离心力使其远离地球。对于任何轨道,在一定的速度下,地球引力与向心力会相互平衡,使卫星在轨道上稳定地运转,既不会升高也不会降低。

显然,卫星轨道高度越低,地球引力越大,这意味着卫星运转速度要更快才能抵消这个力。轨道离地球越远,引力越小,卫星运转速度相应地也会变小。对于高度只有100英里(160km)的低轨道,卫星运行速度要达到大约每小时1750英里(28164km),这意味着卫星绕地球一周需要90分钟。轨道高度为22000英里(35406km),运行速度要低于每小时7000英里(11265km),绕行一周约24小时。

圆和椭圆轨道定义

卫星绕地球运行有两种基本轨道类型:

  • 圆轨道: 对于圆轨道而言,到地球的距离永远保持不变。

  • 椭圆轨道: 椭圆轨道与地球之间的距离会发生改变。


以下是与各种不同类型的卫星轨道有关的定义:

  • 地心:卫星无论是以圆轨道或椭圆轨道运转时,轨道平面会穿过地球重心或地心。

  • 绕地球旋转的方向:按照旋转方向,卫星轨道可分为两类:

    • 顺向型:旋转方向与地球自转方向一致。

    • 逆向型:旋转方向与地球自转方向相反。

  • 星下点轨迹:卫星的地面轨迹是卫星在地球上空绕行时,卫星和地心连线与地面的交点形成的轨迹。值得注意的是地球静止轨道比较特殊,它们永远固定在地球上空的某个点。因此,它们的星下点轨迹为地球赤道上的一个点。对于赤道轨道卫星,其星下点轨迹沿着赤道。

    我们还发现这些轨道的星下点轨迹会向西移动,这是因为地球还会自西向东自转。

  • 轨道交点:星下点轨迹从一个半球移动到另一个半球时,与赤道平面的交点。对于非赤道轨道的交点可分为以下两类:

    • 升交点:该点为星下点轨迹从南半球移动至北半球时的交点。

    • 降交点:该点为星下点轨迹从北半球移动至南半球时的交点。

  • 卫星高度:许多轨道计算都需要考虑卫星到地心的距离,也就是卫星距离地面的高度再加上地球半径。地球半径的值一般采用6370km。

  • 轨道速度:对于圆轨道来说,速度是保持不变的。但是对于椭圆轨道来说,速度会根据所处的轨道位置而发生改变。在最接近地球的位置,轨道速度达到最大值;离地球最远时,速度最小。

  • 仰角:仰角是卫星出现在水平面上方时,与水平面形成的夹角。如果仰角太小,天线也不是很高,信号可能会被阻挡。对于那些四周无阻挡的天线,如果仰角过小,信号在地球大气层中穿行的距离更长,衰减也会更厉害。因此,良好的操作通常要求仰角不得低于5度。

  • 倾角:卫星绕地球运行的轨道平面与地球赤道平面之间的夹角,可见以下示意图:


其他考量

为了让卫星实现通信目的,地面站必须追踪并接收信号,再将其发射回去。因此,只有在卫星过顶时,才能进行通讯,而卫星出现的时间取决于它所处的轨道。为了确保通信时间最长,有以下几种方法可以采用:

  • 首先是采用椭圆轨道,并且远地点位于地面站上空,这样卫星过顶时间才会是最长。

  • 另一种方法是在相同轨道上释放多颗卫星,其中一个卫星消失在视野中时,另一颗卫星出现。通常,需要三颗卫星来维持几乎不中断的通讯。然而,卫星间的相互切换还增加了系统的复杂性,而且至少需要三颗卫星。

圆轨道分类

名称 缩写 距地面高度(KM) 详情 链接

近地轨道

LEO

200-1200

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中轨道

MEO

1200-35790

地球同步轨道

GSO

35790

运行周期为一天,与地球自转方向不一定相同,不一定是静止的

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地球静止轨道

GEO

35790

运行周期为一天,与地球自转方向相同,静止在地球赤道上空

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高轨道

HEO

高于35790

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近地轨道(LEO)

顾名思义,近地轨道的轨道高度相对较低,到地球表面的距离一般是200-1200km。

LEO基本介绍

虽然近地轨道距地球表面的高度相较于其他轨道是相对较低的,但还是远高于普通飞机所达到的高度。

低轨道高度有以下几个特点:

  • 轨道运行周期与其他轨道相比会更短。轨道高度越低,意味着需要更快的运行速度来平衡所受的地球引力。典型速度大约为8km/s,运行一周的时间大概为90分钟。不过,该数值会根据具体轨道情况而发生改变。

  • 轨道越低表示卫星和使用者相距更近,因此相比于其他轨道,如:GEO,线路损耗会更少。

  • 无线电信号的往返延迟时间与地球同步轨道上的卫星相比,会大大减少。具体时长与轨道高度,以及使用者与卫星的相对位置有关。

  • 将卫星送入近地轨道相比于更高轨道,所消耗的能量会更少。

  • 近地轨道的卫星会受到气体阻力的影响,通常轨道高度不低于300km。

近地轨道的应用

很多不同种类的卫星都使用近地轨道,它们包括:

  • 通讯卫星,如铱星电话系统

  • 地球观测卫星,能够清晰地观测球表面

  • 国际空间站,常常能用肉眼看到

近地轨道的太空垃圾

近地轨道上除了卫星日益拥挤,更为严峻的问题是轨道上大量的太空垃圾,它们发生碰撞的风险在不断增加,而碰撞的结果是碎成更多片太空垃圾。

美国联合太空行动中心目前对8500多块尺寸大于10cm太空垃圾进行了追踪,不过,即使很小的太空垃圾同样也会带来重大隐患,如果与轨道上的卫星发生碰撞后,可能使其失效。

地球静止轨道(GEO)

地球静止卫星轨道是非常受欢迎的轨道,适用于直播、通信或中继系统。在该轨道上运行的卫星有一大优点就是全天固定在地球上空的某个位置,这样天线就能一直指向卫星。这个特点应用于电视直播是非常重要的,因为时刻改变天线的位置很不现实。

使用地球静止轨道的缩写时需要注意:GEO和GSO都可以表示地球同步轨道。

地球静止轨道的发展

地球静止轨道这个设定在很多年前就已经被提出。其中一位有可能最先提出该设想的是苏联理论和科幻小说作家,康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。然而,是由赫尔曼·奥伯斯和赫尔曼·波托西尼克描写了距地球35900km的轨道站会每24小时绕行一周,而且静止在地球赤道上空。

下一次大突破是在1945年10月,英国科幻小说家亚瑟·查理斯·克拉克在《无线世界》上发表了一篇文章,标题为“地球外的中继”。克拉克依据当时德国的火箭技术,推测只需要三颗对地静止卫星就能覆盖全世界。

文章中,克拉克列出了轨道特性的要求,以及发射机功率、可能要用到的太阳能发电,甚至还计算了日食的影响。

克拉克这篇文章的理念是极其超前的。一直到1963年,NASA开始发射卫星,才得以验证该理论。第一颗成功发射并用于试验的Syncom 2卫星于1963年7月26日发射升空。[Syncom 1因没能到达准确的地球静止轨道而宣告失败。]

地球静止轨道基本介绍

卫星所处的轨道越高,运行周期也会变长。在35790km的高空,卫星绕行一周需要24小时。这个轨道就称为地球同步轨道。

其中比较特殊的一种地球同步轨道被称为地球静止轨道。该轨道上的卫星运转方向与地球自转方向相同,绕行一周需要大约24小时。这就意味着它的旋转角速度与地球一致,因为方向也相同,所以地球静止轨道上的卫星相对于地球,会固定在同一位置。

为了确保卫星的旋转速度与地球完全一致,需要弄清楚地球自转所需的时间。大多数计时应用依据太阳的平均位置、地球自转和绕太阳公转进行测量并得出一天的时间。然而,这并不是地球静止轨道旋转一周的准确时间,准确时长为一个恒星日,时间为23小时56分4秒。

从几何学上来看,如果要让每天绕行一周的卫星轨道完全静止在地球上空,唯一的办法就是与地球自转方向相同,而且轨道不能朝南或朝北运转。所以,只有保持在赤道上空时,才能完全实现。

对地静止卫星漂移

即使卫星已经被送入地球静止轨道,还是会受到多个力的作用使其位置逐渐发生改变。

地球的椭圆形状、太阳和月球的引力等都会使卫星轨道倾角增大。特别是绕椭圆形的地球赤道运转时,卫星往往会向两个稳定的平衡点移动,一个在印度洋上空,另一个在地球的另一面。这会导致卫星出现东西方向的摆动或来回运动。

为了避免发生这种现象,卫星携带的燃料可用于“轨道保持”,这样卫星就能回到理想的位置。何时进行轨道修正取决于卫星的允许偏差,这由地面天线波束宽度决定。因此,地面天线也无需进行重新调整。

通常,卫星使用寿命取决于燃料量,通常是几年时间。一旦燃料耗尽,卫星会朝其中一个平衡点漂移,也可能重新落入地球大气层。更好的办法是让卫星利用最后的一点燃料进入到更高的轨道,防止其对别的卫星造成干扰。

地球静止轨道覆盖范围

一颗地球静止卫星显然不能覆盖全球,只能覆盖大约42%的地球表面。而三颗均匀分布的对地静止卫星星座有可能对整个赤道及南北纬81°的地区实现覆盖。

两极地区无法覆盖对大多数用户来说并没有什么影响,如果有这种需求,需利用其他轨道上的卫星。

地球静止轨道和路径长度/延迟

使用对地静止卫星可能存在的问题之一是路径长度带来的延迟。假设用户在卫星的正下方,对地静止卫星路径长度最短有35888km,而现实中,用户不太可能刚好出现在正下方,所以路径长度会更长。

在路径长度最短时,单次信号传输的时间大约为120毫秒,所以双向传输从地面到卫星再传回地面大约需要0.25秒。因此,要在一次通话中得到回应需要花0.5秒,因为信号必须先通过卫星转发给远处的收听者,然后收听者的回答需再通过卫星转发回去。使用卫星链路带来的这种延迟会使通电话变得很困难。这种情况在使用卫星电话进行新闻播报时也会出现,当直播间问记者问题时,往往需要等一段时间才能得到回复。因此,长距离通信大多都使用线路传输,其产生的延迟比卫星少很多。

地球静止轨道的优缺点

虽然地球静止轨道的使用很广泛,但并不是所有情形都适用,有以下几项优点和缺点需要考虑:

优点 缺点

• 卫星与地球相对静止,地面天线无需重新定位

• 线路损耗较多
• 卫星入轨的费用较高
• 路径长度所造成的延迟
• 对地静止卫星只能在赤道上空,无法覆盖极地地区

高椭圆轨道

虽然很多卫星都选择圆轨道,但在某些特定情形下,椭圆轨道有许多优势。椭圆轨道常常被称为高椭圆轨道,HEO。

对于那些不需要像地球静止轨道一样时刻固定在赤道上空的卫星,能够覆盖极地和高纬度地区的高椭圆轨道往往是更好的选择。而且,高椭圆轨道上的卫星能够覆盖许多圆轨道所无法覆盖的区域。

高椭圆轨道基本介绍

正如名字所表述的一样,椭圆轨道意味着该卫星沿椭圆曲线运转。然而,椭圆轨道的主要特点是,在靠近地球运行时,卫星的运行速度会加快,而远离地球时,速度会减缓。

对于任何椭圆轨道,他们都有两个焦点,其中一个在地球的中心。另外,在椭圆轨道上还有两个重要的点,一个是卫星距离地球最远,运行速度最慢时的远地点,另一个是卫星运行最快、距离地球最近时的近地点。

如果椭圆轨道越扁平、离心率越大,卫星在远地点附近的时间就会越长,这使得卫星能够长时间覆盖到远地点下方的地面区域,而在接近近地点时,卫星会从视野中消失并经过地球盲区。我们可以通过在同一轨道等间距放置多颗卫星,就能实现永久覆盖。

卫星的轨道平面同样也很重要。有些可能是沿着赤道,有些可能会在不同位置。卫星轨道倾角是指轨道平面与地球赤道平面之间的夹角,可参见以下示意图。这就意味着在赤道上空绕行的赤道轨道倾角为0°(或180°),而经过地球南北两极的极地轨道倾角为90°。

高椭圆轨道的应用

高椭圆轨道可用于对地球任何区域实现覆盖。HEO不像对地静止轨道那样局限于赤道轨道,而无法覆盖高纬度和极地地区。在为俄罗斯这样的高纬度地区提供覆盖时,使用高椭圆轨道有明显优势。

只要有两颗高椭圆轨道在空中,就有可能提供持续的覆盖。HEO最主要的缺点就是卫星相对于地球的位置在时刻发生改变。

卫星入轨

使用尽可能节能的方式确保卫星发射并送入准确轨道,是一件需要大量的专业知识和技术才能实现的事。我们需要保证所需的燃料量控制在最小值;这是因为燃料本身也需要运输直至使用掉。如果需要使用大量燃料,火箭的体积和费用也会大大增加。

许多卫星都被发射至地球静止轨道,通常我们根据赫曼轨道转移原理来实现这一过程。航天飞机也是用这个办法将卫星送入轨道。使用该发射系统,卫星首先被送入距离地面290公里的近地轨道,一旦抵达正确位置,火箭会被点燃并推送卫星进入到过渡的椭圆轨道,如图所示,该轨道的近地点在近地轨道上,远地点位于静止轨道。当卫星到达指定高度时,火箭助推器会再次点燃使卫星以正确的速度保持在地球静止轨道上运转。


使用过渡轨道将卫星送入地球静止轨道

另外,像阿丽亚娜火箭这样的火箭是采用直接入轨的方式将卫星送入椭圆过渡轨道。接着,当卫星到达指定高度,火箭会被点燃并确保卫星以正确的速度在指定轨道上运转。

以上就是两种主要的卫星入轨方式。