为什么有各种形状的卫星轨道

为什么人造地球卫星的轨道有各种形状？
东方星
人造地球卫星的轨道似乎有各种形状，但如果你仔细观察以后会发现，它们主要呈现圆形和椭圆形两种，其中圆轨道是椭圆轨道的特殊情况。

人造地球卫星的轨道形状与人造地球卫星入轨时的速度和方向有关，究竟采用哪种形状的轨道，则是由人造地球卫星的功能和用途决定的。

1运行轨道形状与航天器速度有关
人造地球卫星的轨道是人造地球卫星绕地球运行的轨道。

它呈一条封闭的曲线。

这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面，轨道平面的特征是总是通过地心的。

要回答人造地球卫星的轨道形状问题，首先应该了解三个宇宙速度的基本概念。

众所周知，航天器（包括人造地球卫星、载人航天器、空间探测器）要离开地面进入太空需达到一定速度，这样才能克服地球的引力而不落到地面。

理论和实践都已证明，在航天器的飞行速度达到7.9千米/秒时，它可以环绕地球运转。

一般把航天器在地球轨道飞行的速度叫环绕速度，7.9千米/秒也叫第一宇宙速度。

当航天器的飞行速度达到11.2千米/秒时，它就可以脱离地球轨道，成为围绕太阳运行的人造行星，或者飞向太阳系的其他星球上去。

一般把脱离地球轨道飞行的速度叫脱离速度或逃逸速度, 11.2千米/秒也叫第二宇宙速度。

如果航天器的飞行速度达16.6千米/秒, 它就可以脱离太阳系，到其他恒星世界去，16.6千米/秒也叫第三宇宙速度。

根据万有引力定律，两个物体之间引力的大小与它们的距离平方成反比。

因此，人造地球卫星离地球中心的距离不同，其环绕速度(第一宇宙速度)和脱离速度(第二宇宙速度)有不同的数值，轨道越高，速度越低。

例如，它在200千米高轨道飞行的环绕速度是7.790千米/秒，脱离速度是11.016/千米/秒；它在35800千米高轨道飞行的环绕速度是3.076千米/秒，脱离速度4.348/千米/秒。

如果环绕速度减小，人造地球卫星的轨道高度就会降低，直至坠入大气层烧毁。

航天器与运载火箭分离后入轨点的轨道速度叫入轨速度。

入轨点的位置确定后，入轨速度的大小和方向就决定了人造地球卫星的轨道形状。

如果航天器入轨速度在环绕速度和脱离速度之间时，轨道为椭圆；当航天器入轨速度等于环绕速度而且是水平方向时，轨道为圆形；当入轨速度等于脱离速度时，轨道为抛物线形；当入轨速度大于脱离速度时，轨道为双曲线形。

另外，入轨速度大小相同而方向不同时，航天器的轨道形状也会有很大差异。

其实说到底，人造地球卫星绕地球运行的轨道遵循开普勒行星运动三定律。

一是卫星轨道为一个椭圆，地球在椭圆的一个焦点上。

其长轴的两个端点是卫星离地球最近和最远的点，分别叫做远地点和近地点。

二是人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行时，其运行速度是变化的，在远地点时最低，在近地点时最高。

速度的变化服从面积守恒规律，即卫星的向径(卫星至地球的连线)在相同的时间内扫过的面积相等。

三是人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行，其运行周期取决于轨道的半长轴。

不管轨道形状如何，只要半长轴相同，它们就有相同的运行周期。

人造地球卫星轨道的形状和大小由它的半长轴和半短轴的数值来决定。

其半长轴和半短轴的数值越大，轨道越高；半长轴与半短轴相差越多,轨道的椭圆
形越扁长；半长轴与半短轴相等则为圆形轨道。

2人造地球卫星轨道的高低与用途
人造地球卫星有的运行在圆轨道,有的运行在椭圆轨道：它们还有高低之分：距地面200～2000千米的地球轨道一般叫低轨道，距地面2000～20000千米的地球轨道一般叫中轨道，距地面20000千米以上的地球轨道一般叫高轨道。

卫星轨道高度的选择与许多因素有关。

比如，其近地点高度与运载火箭能力的大小有关，近地点高度也影响卫星的运行寿命。

我国第一颗人造地球卫星东方红1号卫星运行在近地点439千米、远地点2384千米、倾角68.5°、运行周期114分钟的近地椭圆轨道上，由于其近地点高度较高，因此东方红1号卫星目前仍在轨道上。

2009年2月的观测表明，,东方红1号当时运行在近地点430千米、远地点2075千米的轨道上。

卫星的轨道高度与飞行任务有关。

为了完成预定任务，不同的卫星在轨道形状、高低等方面有明显差异。

例如，对地观测的地球资源卫星、成像侦察卫星常采用圆形低轨道，以便提高对地观测的分辨率；若是为了尽量扩大空间环境探测的范围，卫星可采用扁长的椭圆形轨道；为了节省发射卫星的能量，卫星常采用赤道轨道和顺行轨道；对固定地区进行长期连续通信和气象观测和的卫星，常采用地球静止卫星轨道；需对全球进行反复观测的卫星可采用极轨道；要使卫星始终在同一时刻飞过地球某地上空，也就是说要使卫星始终在相同的光照条件下经过同一地区，则需要采用太阳同步轨道。

极轨气象卫星的轨道通常比资源卫星的轨道高，一般运行于600～1400千米高度的极轨道，目的是增加观测面积。

但其对地观测的分辨率较低，不能起到详细观测的作用。

它以1千米～4千米的分辨率沿飞行轨道对地面数千千米宽的条带进行观测，每天可绕地球运行14圈，能够对全球任何一地点观测2次。

资源卫星的轨道较低，一般运行于700～900千米高的圆形太阳同步轨道，目的是提高对地观测的分辨率，其分辨率可达0.25米。

但它所能扫描的观测带不如极轨气象卫星那么宽，对全球观测一遍时间较长，一般10～30天观测全球一遍。

采用圆形轨道有同地球表面保持等距离的优点，所以观察地球、通信广播、导航定位和大地测量的卫星常采用这种轨道。

但也有一些卫星采用椭圆轨道，例如，俄罗斯的“闪电”通信卫星运行在大椭圆轨道，这是因为俄罗斯国土纬度较高，如果使用地球静止轨道卫星不能覆盖高纬度地区，而“闪电”通信卫星轨道的远地点高度为40000千米，近地点在470千米，倾角63°，即远地点在北半球上空。

这样卫星可缓慢经过俄罗斯境内，与地面控制站失去联系的时间很短。

不过，为了保证提供俄罗斯境内不间断通信，需要多颗“闪电”卫星协作。

另外，如果是为了科学研究(研究地球不同高度上磁场的强度，大气压力、温度、密度，宇宙空间辐射的强度分布……)，使探测范围更大些，卫星可以运行在形状较扁的地球轨道。

我国1971年3月3日发射的实践一号科学卫星，其轨道的近地点是266千米，远地点是l826千米。

3几种常用的人造地球卫星轨道
按飞行方向分，人造地球卫星轨道可分为顺行轨道（与地球自转方向相同）、逆行轨道（与地球自转方向相反）、极轨道（经过地球南北极上空）和赤道轨道（在赤道上空绕地球飞行）等。

卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角叫轨道倾角，它是确定卫星轨道空间位置的一个重要参数。

顺行轨道的轨道倾角小于90°，把卫星或其它航天器送入这种轨道，火箭需要向偏东方发射，这种发射方式的优点是能利用地球自西向东自转的一部分速度，从而提高火箭的运载能力，所以目前大多数人造地球卫星和载人航天器都采用这种轨道。

逆行轨道的轨道倾角大于90°，把卫星或其它航天器送入这种轨道，火箭需要向偏西方发射，这种轨道正好和顺行轨道相反，由于与地球自转方向相反，所以会使火箭速度要受到一定损失，以色列在用“沙维特”火箭发射“地平线”侦察卫星时采用这种方式，这是因为以色列发射区域位于地中海的西部，为了避免从其东部敌对邻国上空经过，防止火箭各级在分离后掉落到阿拉伯邻国的领土上引起纠纷，“沙维特”采取了自东向西发射的方案，即向地中海方向发射，把卫星送人逆行轨道，这在世界上是独一无二的。

极轨道的轨道倾角等于90°，其轨道平面通过地球南北极，在这种轨道运行的卫星的优点是可以飞经地球上任何地区的上空，对地观测卫星常采用这种轨道。

赤道轨道的轨道倾角为0°。

人造地球卫星还有以下几种特殊轨道。

人造地球卫星在顺行轨道上绕地球运行时，其运行周期（绕地球一圈的时间）与地球的自转周期相同的轨道叫地球同步轨道。

如果运行在地球同步轨道的卫星正好在地球赤道上空离地面35786千米的轨道上绕地球运行，由于卫星绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，所以从地面上看去它好像是静止不动的，这种卫星轨道叫地球静止轨道，它是地球同步轨道的一个特例。

地球静止轨道非常有用，它可使运行在该轨道上的人造地球卫星与地面进行连续通信或连续观测，所以大多数通信卫星和部分遥感卫星都采用这种轨道。

如果在地球静止轨道上每隔120°放置一颗卫星的话，就能实现除两极以外的全球通信，也就是说，可以利用3颗等间隔放置的地球静止轨道卫星实现全球通信。

不过，全球只有一条地球静止轨道，因此它是一种非常宝贵的资源。

还有一种特殊轨道叫太阳同步轨道。

由于地球扁率（地球不是圆球形，而是在赤道部分隆起），卫星轨道平面绕地球自转轴旋转。

如果卫星轨道平面绕地球自转轴的旋转方向和角速度与地球绕太阳公转的方向和平均角速度相同，则这种卫星轨道叫太阳同步轨道，其轨道倾角大于90°（属于逆行轨道）。

气象卫星、资源卫星等对地观测卫星都采用这种轨道。

其优点是不仅可以使卫星能俯瞰包括地球两极地区在内的整个地球表面，而且在卫星每次经过特定地区时，其光照条件基本不变，从而有利于获取高质量地面目标的图像。

人造地球卫星在轨道上的每一个位置都会在地球表面上有一个投影，它叫星下点。

所有星下点连成的曲线叫星下点轨迹。

由于地球自转，星下点轨迹不只一条。

相邻两条轨迹在同一纬度上的间隔正好等于地球在卫星轨道周期内转过的角度。

根据星下点轨迹，可以预报卫星什么时候从什么地方上空经过。

特殊轨道的卫星星下点轨迹也是特殊的，例如，地球静止轨道卫星的星下点轨迹是一个点，而地球同步轨道卫星的星下点轨迹，则是一个“8”字，其交叉点在地球赤道上。

4卫星升空后多久才算进入最终轨道？
因为不同种类的人造地球卫星运行在不同的轨道上，所以它们在升空后进入
最终的工作轨道所花的时间有很大差异，有的能马上能进入最终的工作轨道，有的则需要几十天甚至几个月。

这是为什么呢？
由于种种原因，用运载火箭发射人造地球卫星时，其入轨点的速度和方向会与预定的轨道稍有偏差，因而常常不能一下把卫星送入预定的轨道。

例如，运行在距地面250千米高的卫星，如果速度大小有千分之一的误差，或方向角有半度误差，都会使卫星的轨道高度偏离50千米。

因此，卫星上天后需要变轨，对轨道进行修正，才能进入预定轨道。

如果不是在地球赤道上的地点发射地球静止轨道卫星，那么由于卫星最初进入的轨道平面是通过发射地点和地心的，因此就会使轨道平面和地球赤道之间形成一个夹角。

要让轨道面和地球赤道面重合，就需要改变卫星轨道平面的倾角。

一般发射地球静止轨道卫星分为两步：第一步是用火箭把卫星送入一个远地点在赤道上空35786千米，近地点为几百千米的大椭圆轨道，它也叫地球同步转移轨道；第二步是在卫星运行到远地点时，启动卫星上的远地点发动机3～4次，逐渐提高卫星飞行速度，改变飞行方向，消除轨道倾角，把卫星的近地点高度提升到35786千米，速度的方向朝正东的水平线，从而使卫星运行在地球静止轨道。

由此可见，发射地球静止轨道卫星不是一件容易的事，经常因为火箭或卫星故障而导致卫星延期或不能进入最终的地球静止轨道。

例如，2010年8月14日，美国首颗“先进极高频”军用通信卫星升空。

但由于该卫星上天后远地点发动机出现异常，结果不得不使用星上氙离子流体霍尔推进器执行了500多次点火来变轨，直到2011年10月24日，这颗卫星才在耗时14个月后进入了预定的地球静止轨道。

现在，也可以通过运载火箭的上面级直接把人造地球卫星送到地球静止轨道。

上面级是一种由基础级运载火箭发射进入准地球轨道或地球轨道，能够进一步将有效载荷从准地球轨道或地球轨道送入预定工作轨道或预定空间位置的具有自主独立性的飞行器。

它位于运载火箭最上面，被称为为“太空摆渡车”，可使卫星不用装远地点发动机和较多燃料，就可以进入到地球静止轨道。

延伸阅读：目前，除了地球静止轨道外，其他地球轨道的资源很丰富，所以低轨道、中轨道等轨道资源基本不用管理，基本是放开使用，但各种轨道卫星的频率资源还是都需要管理和协调的。

由于地球静止轨道全球只有一条，而且十分有用，所以必须管理该轨道的资源使用。

为了避免在该轨道上运行的卫星的收发信号相互干扰，卫星与卫星之间一般要相隔2°，在卫星采取一些先进的防干扰隔离措施后，卫星之间的距离可减少到1°。

现在，地球静止轨道上的卫星日益拥挤，已经星满为患，大约有300颗左右。

地球静止轨道资源由国际电联负责管理，世界上每个国家都可以预定。

原来，预订地球静止卫星轨道位置不收费，结果使某些国家的个别公司钻了空子。

这些公司既不研制卫星，也不发射卫星，但早早向国际电联提出申请，预订了多个地球静止轨道位置。

然后在国际市场上转让出售，从中渔利。

这些就是所谓的“纸面卫星”。

后来，国际电联对预订地球静止卫星轨道位置采取了收费措施，才逐渐抑制了“纸面卫星”现象。

预订地球静止卫星轨道位置是有期限的，一般不超过10年，如果不能在此最后期限之前发射一颗卫星占用此位置，将失去其使用权。

尽管如此，地球静止卫星轨道的资源仍十分紧张，为此，航天大国一直在积极想办法。

例如，开发性能更高的地球静止轨道卫星，让它“一个顶俩或顶三”；研制更先进的防干扰隔
离技术，以增加地球静止轨道卫星的密度；研制低轨道通信卫星，因为地球静止轨道通信卫星存在一些先天不足：一是地球静止轨道资源十分紧张。

二是地球静止卫星轨道的运行高度太高，所以卫星到达地面的信号很微弱，如果加大卫星的发射功率，又会增加卫星的重量和、技术复杂性，进而带来要求火箭运载能力增加等一系列问题。

三是由于卫星距离地面35786千米，所以会产生信号的延迟现象和回声干扰现象。

用低轨道卫星能克服地球静止轨道卫星存在的种种缺陷。

不过，低轨道卫星信号覆盖地面面积小，为了覆盖全球，需要用多颗卫星组成星座才能进行全球通信。

例如，美国“铱”星低轨道移动通信星座有66颗卫星，分布在6条高度为780千米的轨道上。

它可为移动用户在任何时间、任何地点提供全球通信服务，十分方便，通信质量也好，其缺陷是建造成本和运营成本较高，所以难以为大众服务，目前以军用为主。

（庞之浩）。