人造地球衛星運行軌道

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更新時間: 2013-09-04

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人造地球衛星運行軌道是從末級火箭推力中止到人造衛星隕落(或返回地面)前,人造地球衛星質心的運動軌跡,它決定於入軌點的位置和入軌速度。

人造地球衛星運行軌道 -運行軌道
人造地球衛星運行軌道「天宮一號」航天器典型軌道示意圖

 運行軌道是一條與開普勒橢圓軌道(見二體問題)相差很小的複雜曲線。常用開普勒橢圓軌道來描述衛星的大致運動。在這一基礎上,可以用軌道攝動的方法,進一步求出運行軌道的精確解,得到衛星位置和速度的準確預報,以滿足衛星工程的需要。

人造地球衛星運行軌道 -運動規律
人造地球衛星運行軌道「天宮一號」航天器典型軌道示意圖

 人造地球衛星的運行軌道一般是一條與開普勒橢圓相差很小的複雜曲線。衛星在開普勒橢圓軌道上運行時,滿足二體問題運動規律。只要知道 6個常數(即軌道要素)就能確定衛星的運動。衛星在橢圓軌道上運動一圈的時間稱為軌道周期,周期的長短與半長軸有關。半長軸相同的軌道,其周期也相同。在橢圓軌道上運動時,衛星的地心距離和速度都在變化。距地心最近點 P為近地點,最遠點 A為遠地點。近地點和遠地點的地心距離之和是半長軸的二倍。衛星的速度僅與地心距離有關,滿足活力公式(見航天器軌道速度)。在近地點時速度最大,遠地點時速度最小。衛星在軌道上運行時地球也在自轉,當衛星回到軌道上的同一點時,不一定回到地球同一地區的上空。

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人造地球衛星運行軌道 -軌道攝動
人造地球衛星運行軌道人造地球衛星運行軌道

人造地球衛星的實際運行軌道並不是開普勒軌道。由於攝動力的影響,衛星的運動軌道比較複雜。按攝動理論,軌道要素不再是常數。根據軌道要素的變化特點,軌道攝動可以分為長期攝動、長周期攝動、短周期攝動。長期攝動與時間成正比。

衛星軌道的主要攝動有:

①地球扁率引起的軌道平面繞地軸旋轉,稱為軌道面進動。當進動角速度與地球公轉角速度相同時,為太陽同步軌道。
②地球扁率引起橢圓長軸在軌道面內轉動。只有當軌道傾角為63.4°或116.6°時,長軸才不動。這兩個傾角稱為臨界傾角。蘇聯/俄羅斯「閃電」號通信衛星採用軌道傾角約為63.4°、運行周期為12小時的軌道,其目的是使遠地點長期保持在本國領土上空,以保證有較長時間用於國內通信。
③大氣阻力引起軌道半長軸和偏心率衰減,衛星軌道越來越低,越來越圓。為避免衛星過早隕落,軌道近地點高度一般都要超過180千米。

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順行軌道

順行軌道的特點是軌道傾角即軌道平面與地球赤道平面的夾角小於90度。在這種軌道上運行的衛星,絕大多數離地面較近,高度僅為數百公里,故又將其稱為近地軌道。

逆行軌道
人造地球衛星運行軌道人造地球衛星運行軌道

逆行軌道的特徵是軌道傾角大於90度。欲把衛星送入這種軌道運行,運載火箭需要朝西南方向發射。不僅無法利用地球自轉的部分速度,而且還要付出額外能量克服地球自轉。因此,除了太陽同步軌道外,一般都不利用這類軌道。

赤道軌道

赤道軌道的特點是軌道傾角為0度,衛星在赤道上空運行。這種軌道有無數條,但其中的一條地球靜止軌道具有特殊的重要地位。由於衛星飛行速度隨距地面的高度而變化,軌道越高,速度越小,環繞周期越長,故由計算可知,當其在赤道上空35786公里高的圓形軌道上由西向東運行1周的時間,恰好是23小時56分4秒,正與地球自轉一周的時間相同,這條軌道就被稱為地球靜止軌道。因為衛星環繞周期等於地球自轉周期,兩者方向又一致,故相互之間保持相對靜止。從地面上看,衛星猶如固定在赤道上空某一點。在靜止軌道上均勻分佈3顆通信衛星即可進行全球通信的科學設想早已變為現實。

極地軌道

就衛星軌道類型來說,還有一種軌道傾角為90度的極地軌道。它是因軌道平面通過地球南北兩極而得名。在這種軌道上運行的衛星可以飛經地球上任何地區上空。中國雖未研製運行於此類軌道的衛星,但發射過此類軌道的衛星。長征二號丙改進型火箭以1箭雙星的方式6次從太原起飛,把12顆美國銥星送入太空,就屬於這種發射方式。

人造地球衛星運行軌道 -研究用途

人造地球衛星運行軌道由入軌點位置、入軌點速度大小和方向決定。運行軌道的選擇要滿足人造地球衛星任務的需要。偵察地面目標的軍用衛星,因要獲取高解析度的照片或圖像,一般採用200千米到幾百千米高的近地軌道。若需要衛星飛經地球的兩極地區,就要選取軌道傾角接近90°的極軌道。資源衛星、氣象衛星要求其所飛經地區的地面光照條件比較好,通常採用太陽同步軌道。通信衛星、廣播衛星需要覆蓋區域廣,通常相對於地面保持靜止,因此,採用地球靜止衛星軌道較為有利。總之,採用哪一種衛星運行軌道是與衛星的任務密切相關的。

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