人造地球衛(wèi)星為何能按預定軌道運行

由于人造地球衛(wèi)星是一種無人航天器，所以無法像載人飛船那樣由航天員操縱來控制其飛行軌道，它主要靠跟蹤遙控或自動控制的方式來使衛(wèi)星按預定的軌道運行。

1 無人駕駛的秘密

要想使人造地球衛(wèi)星在預定的軌道運行，首先要用運載火箭把人造地球衛(wèi)星盡可能精確地送入預定的軌道，使它有較高的速度，然后靠慣性飛行。其關(guān)鍵是要掌握好衛(wèi)星和火箭分離并開始進入軌道那一瞬時的速度和方向。

衛(wèi)星速度的大小主要決定于運載火箭的推力和級數(shù)，推力越大，級數(shù)越多，速度也就越快。另外，根據(jù)衛(wèi)星的用途和功能等不同，每種衛(wèi)星的運行軌道高度也有很大差別，有的衛(wèi)星需要運行在低軌道，有的則需要運行在中軌道或高軌道。這就要求火箭把衛(wèi)星發(fā)射到所要求的軌道高度，其入軌精度也隨軌道高度不同而不同。例如，要使衛(wèi)星在250km高的軌道上運行，若要求高度誤差不超過10km，那么衛(wèi)星進入軌道時的速度誤差需小于0.02%，角度誤差需小于2.3°(1個圓周為360°)。

衛(wèi)星進入軌道的方向?qū)嶋H上就是火箭與衛(wèi)星分離時的飛行方向，該方向可以由地面通過無線電信號來控制的?；鸺c衛(wèi)星分離后，由于慣性和地心引力的作用，衛(wèi)星會按一定的軌道繼續(xù)運行，這時通過衛(wèi)星跟蹤測軌系統(tǒng)，地面就可以知道衛(wèi)星是否沿預定的軌道飛行。

對衛(wèi)星進行跟蹤測量主要有兩種方法：一種是用光學的方式進行測量，即利用望遠鏡、光學經(jīng)緯儀、電影經(jīng)緯儀、高速攝影機和激光測距儀等光學儀器，對衛(wèi)星進行跟蹤測量。這種手段不需要衛(wèi)星太多的配合，只是觀測、記錄它的運動情況。由于光學方法會受到衛(wèi)星的大小和表面反射特性、觀測時間天氣的好壞等因素的影響和限制，因此其跟蹤的范圍有限。

另一種是用無線電信號進行跟蹤導航。它是指地面利用衛(wèi)星發(fā)出的無線電信號跟蹤衛(wèi)星，并利用接收到的無線電信號延遲時間和多普勒頻率變化來確定衛(wèi)星距離地面的距離和速度，從而確定衛(wèi)星飛行的位置和速度，計算出與衛(wèi)星飛行軌道的偏差，引導衛(wèi)星沿著正確的軌道飛行。由于無線電波不受天氣影響，傳播速度為3105km/s，因此，可以實現(xiàn)全天候跟蹤測量，進行遠距離定位。

無線電測軌系統(tǒng)由星上和地面兩部分組成，星上部分有發(fā)射機、接收機和天線等；地面部分有測控站，在測控站內(nèi)有各種不同用途的雷達、發(fā)射機、接收機、天線、數(shù)據(jù)終端、計算機以及記錄顯示設備等。這些設備總的說來有兩大類，一類用于接收衛(wèi)星傳給地面的信息，另一類用來向衛(wèi)星發(fā)射信號。常用的衛(wèi)星無線電測軌系統(tǒng)有雷達測軌系統(tǒng)、多普勒測速系統(tǒng)和干涉儀系統(tǒng)。

雷達測軌系統(tǒng)的工作過程是：先用衛(wèi)星上的信標機連續(xù)地或間斷地以一定的頻率向地面發(fā)射特定的無線電信號，使地面接收雷達能通過接收信標機發(fā)出的信號捕獲衛(wèi)星目標；此后地面站向衛(wèi)星上的雷達應答機發(fā)射信號，雷達應答機接收到信號后再向地面站回答一個信號。這樣一來一往、一應一答，就能夠算出衛(wèi)星所處在的方位、高度和飛行的速度，進而可以得到衛(wèi)星的實際軌道數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星的軌道是在衛(wèi)星發(fā)射前就設計好的理論軌道，但由于各種原因，衛(wèi)星上天后的實際軌道往往和理論軌道不太一樣。為此，在衛(wèi)星與火箭分離后剛剛進入軌道時，要及時對衛(wèi)星進行跟蹤測量，掌握衛(wèi)星的初始軌道參數(shù)，計算出衛(wèi)星整個的運行軌道，知道它下一圈在什么地方，以及任何一個時刻衛(wèi)星會飛到什么地點上空，這樣就能盡早通過衛(wèi)星的控制系統(tǒng)與推進系統(tǒng)調(diào)整衛(wèi)星軌道，讓衛(wèi)星變軌進入預定的軌道運行。當然，理論軌道與實際軌道誤差越小，衛(wèi)星的軌道調(diào)整就越小，這樣可以節(jié)省衛(wèi)星所消耗的燃料，延長衛(wèi)星壽命。

當然，在衛(wèi)星長期運行的過程中，會因為受到地球引力、大氣阻力、太陽和月球引力等的影響使軌道會產(chǎn)生微小變化，即“軌道攝動”，所以要不斷地跟蹤測量衛(wèi)星軌道，必要時需對衛(wèi)星軌道進行修正和保持。

2 衛(wèi)星的速度多大

人造地球衛(wèi)星之所以能夠繞地球運行而不掉下來，是因為發(fā)射它的運載火箭使它具有較高的飛行速度，從而可以產(chǎn)生能夠抵消地球引力的離心力按慣性飛行。換句話說就是，如果作用在人造地球衛(wèi)星的離心力與地球引力大小相等、方向相反時，衛(wèi)星就可以繞地球作運行。離心力與地球引力相等時的衛(wèi)星飛行速度稱為環(huán)繞速度。由于人造地球衛(wèi)星在不同軌道高度所受到的地球引力不一樣，因此它所需的環(huán)繞速度是不一樣的。例如，在離地面200km時，環(huán)繞速度為7.79km/s；在離地面300km時，環(huán)繞速度為7.781km/s；在離地面400km時，環(huán)繞速度為7.732km/s；在離地面500km時，環(huán)繞速度為7.619km/s；在離地面600km時，環(huán)繞速度為7.564km/s；在離地面800km時，環(huán)繞速度為7.457km/s；在離地面1000km時，環(huán)繞速度為7.356km/s；在離地面2000km時，環(huán)繞速度為6.903km/s；在離地面4000km時，環(huán)繞速度為6.203km/s；在離地面5000km時，環(huán)繞速度為5.922km/s；在離地面6000km時，環(huán)繞速度為5.679km/ s；在離地面35800km時，環(huán)繞速度為3.076km/s。

如果在某一高度低于其相應的環(huán)繞速度，人造地球衛(wèi)星就會從天上掉下來。尤其是在低軌道飛行的衛(wèi)星，由于在那里還有少量殘存的大氣，這些大氣會對衛(wèi)星產(chǎn)生一定阻力，逐漸降低衛(wèi)星的速度。速度降低意味著離心力減小，如果不適時利用衛(wèi)星上的發(fā)動機提升衛(wèi)星的速度，衛(wèi)星的軌道高度就會不斷衰減，最終使衛(wèi)星在地球引力作用下沿螺旋線軌跡落向地球大氣層燒毀。在低軌道運行的衛(wèi)星失效后，經(jīng)常會因此掉下來；而在高軌道運行的衛(wèi)星因不會受到殘存的大氣影響，所以即使失效也可以靠慣性在軌道上繼續(xù)飛行多年。