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卫星轨道

  卫星飞行的水平速度叫第一宇宙速度,即环绕速度。卫星只要获得这一水平方向的速度后,不需要再加动力就可以环绕地球飞行。这时卫星的飞行轨迹叫卫星轨道。

目录
分类 回归轨道 选择
地球同步轨道 极地轨道  
  地球静止轨道 宇宙速度  
  太阳同步轨道 运行定律  
  停泊轨道 名词解释  

 

  人造地球卫星在空间环绕地球运行的路径。可用轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点角距和近点时刻等六个轨道要素(根数)描述。有三种分类法:(1)按轨道形状分为圆轨道(圆心为地心)和椭圆轨道(焦点之一为地心);(2)按轨道倾角分为赤道轨道、极地轨道和倾斜轨道;(3)按地面观测点所见卫星运动状况分为一般轨道、太阳同步轨道和对地静止轨道。所谓人造地球卫星轨道就是人造地球卫星绕地球运行的轨道。这是一条封闭的曲线。这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面,轨道平面总是通过地心的。

  分类

  人造地球卫星轨道按离地面的高度,可分为低轨道、中轨道和高轨道;按形状分可分为圆轨道和椭圆轨道;按飞行方向分可分为顺行轨道(与地球自转方向相同)、逆行轨道(与地球自转方向相反)、赤道轨道(在赤道上空绕地球飞行)和极轨道(经过地球南北极上空)。人造地球卫星还有以下几种特殊轨道。

  地球同步轨道

  地球同步轨道。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。这种卫星轨道叫地球同步轨道。

  地球静止卫星轨道

  如果地球同步轨道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,由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同,从地面上看去它好像是静止的,这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道。地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例,它只有一条。

  太阳同步轨道

  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。

  停泊轨道

  概述

  停泊轨道(parking orbit) 航天器为了转移到另一条轨道去而暂时停留的椭圆(圆)轨道,又称驻留轨道。

  类型

  停泊轨道按中心体不同分为地球停泊轨道、月球停泊轨道和行星停泊轨道。地球停泊轨道是发射月球探测器、登月载人飞船、空间探测器和离地球较远的人造地球卫星(如静止卫星)的一个阶段,用于选择进入过渡轨道的入轨点,以弥补地面发射场地理位置固定的缺点,满足过渡轨道的要求。月球和行星停泊轨道用于选择进入轨道的起点,以保证航天器降落在天体表面的指定地区。对于返回地球的航天器,同样可以选择返回轨道的起点,以保证航天器能够准确进入再入走廊。此外,安排停泊轨道还为飞往新轨道之前提供最后全面检查航天器各系统可靠性的机会。

  回归轨道

  星下点轨迹周期性出现重叠现象的人造地球卫星轨道。重叠出现的周期称为回归周期。工程中回归周期的大小根据卫星的使命确定。同一个回归周期对应有很多条轨道。如回归周期为一天时,运行的轨道周期可近似为24小时、8小时……,从中可以选出合适的运行周期以满足卫星使命的要求。

  在回归轨道上运行的卫星,每经过一个回归周期,卫星重新依次经过各地上空。这样可以对卫星覆盖的区域进行动态监视,借以发现这一段时间内目标的变化。在轨道设计中,回归轨道仅限制轨道运行周期,若再选择其他参数,可设计出太阳同步回归轨道。这样的轨道兼有太阳同步轨道和回归轨道的特性。

  选择合适的发射时间,可使卫星在经过某些地区时这些地区有较好的光照条件。以获取地面图像为目的的卫星,像侦察卫星、气象卫星、地球资源卫星大都选择这种轨道。回归轨道要求轨道周期在较长时间内保持不变,因此,卫星必须具备轨道修正能力,以便能够克服入轨时的倾角偏差、周期偏差和补偿大气阻力引起的周期衰减。

  极地轨道

  倾角为90°的人造地球卫星轨道。又称极地轨道。在极轨道上运行的卫星,每一圈内都可以经过任何纬度和南北两极的上空。由于卫星在任何位置上都可以覆盖一定的区域 ,因此,为覆盖南北极,轨道倾角并不需要严格的90°,只需在90°附近就行。在工程上常把倾角在90°左右,但仍能覆盖全球的轨道也称为极轨道。近地卫星导航系统(如美国海军导航卫星系统)为提供全球的导航服务采用极轨道。许多地球资源卫星、气象卫星以及一些军事侦察卫星采用太阳同步轨道,它们的倾角与90°只相差几度,所以也可以称其为极轨道。还有一些研究极区物理的科学卫星也采用极轨道。

  宇宙速度

  物体在地球表面上飞行时,达到11.2千米/秒的运动速度,就能摆脱地球引力的束缚,这个速度叫脱离速度或逃逸速度。

  在摆脱地球束缚的过程中,在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球,而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系,物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球,而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。

  人类的航天活动,并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器,需要绕地球飞行,即让航天器作圆周运动。众所周知,必须始终有一个力作用在航天器上。其大小等于该航天器运行线速度的平方乘以其质量再除以公转半径,即F=mv2/R.在这里,正好可以利用地球的引力。

  因为地球对物体的引力,正好与物体作曲线运动的离心力方向相反。宇宙速度是物体从地球出发,在天体的重力场中运动,四个较有代表性的初始速度。航天器按其任务的不同,需要达到这四个宇宙速度的其中一个。

  第一宇宙速度(又称环绕速度):是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度(也是人造地球卫星的最小发射速度)。大小为7.9km/s ——计算方法是V‵=gR (g是重力加速度,R是星球半径) 。

  第二宇宙速度(又称脱离速度):是指物体完全摆脱地球引力束缚,飞离地球的所需要的最小初始速度。大小为11.2km/s 。

  第三宇宙速度(又称逃逸速度):是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚,飞出太阳系所需的最小初始速度。其大小为16.7千米/秒。

  环绕速度和逃逸速度也可应用于其他天体。例如计算火星的环绕速度和逃逸速度,只需要把公式中的M,R,g换成火星的质量、半径、表面重力加速度即可。

  运行定律

  人造地球卫星绕地球运行遵循开普勒行星运动三定律。

  (1)卫星轨道为一椭圆,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。

  (2)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。

  (3)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(与半长轴的二分之三次方成正比)。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;并长轴与半短轴相等则为圆形轨道。

  名词解释

  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。轨道倾角小于90º为顺行轨道;轨道倾角大于90º为逆行轨道;轨道倾角为0º则为赤道轨道;轨道倾角等于90º,则轨道平面通过地球南北极。

  由于卫星和地球、太阳之间复杂的相对运动,所以要想随时确定卫星轨道的空间位置,除应知上述半长轴、半短轴和轨道倾角参数以外,还需要了解升交点赤经和近地点幅角两个参数。

  为要说清升交点赤径和近地点幅角的物理含义,先应了解春分点和升交点两个概念。

  在地球和太阳的相对运动中,如果假定地球不动,则太阳绕地球运行,当太阳从地球的南半球向北半球运行时,穿过地球赤道平面的那一点叫春分点。

  人造地球卫星绕地球运行,当它从地球南半球向北半球运行时,穿过地球赤道平面的那一点叫升交点。

  所谓升交点赤经(Ω)就是从春分点到地心的连线与从升交点到地心的连线的夹角。

  所谓近地点幅角(ω)就是从升交点到地心的连线与从近地点到地心的连线的夹角。

  半长轴(a)、偏心率(e)、倾角(i)、升交点赤经(Ω)和近地点幅角(ω)被称为人造地球卫星轨道的5要素(或根数)。要知道卫星的瞬时位置,还必须测量它过近地点的时间(z)。有时,把上述6个参数合称为人造地球卫星轨道的6要素。

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,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*点在地球赤道上。

  星下点: 地球中心与天体的连线在地球表面上的交点。在遥感中星下点指的是人造地球卫星在地面的投影点(或卫星和地心连线与地面的交点),用地理经、纬度表示。当卫星在星下点进行摄像时,影像的几何畸变最小。

  选择

  人造地球卫星的轨道应根据其任务和应用要求来选择。例如,对地面摄影的地球资源卫星、照相侦察卫星常采用圆形低轨道;若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的气象观测和通信的卫星,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地轨道,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。

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