人造地球衛星的軌道

尹懷勤

自從蘇聯于7957年10月4日成功發射世界上第一顆入造地球衛星以來，航天技術發展迅猛，不僅成為入類認識和改造自然進程中極其活躍的科技領域之一，而且也成為入類文明高度發展的重要標志。

為了進行航天發射，世界上的航天大國如美國、俄羅斯、中國、日本和歐洲空間局聯合體等己研制成功多種運載火箭并建設了多個航天器發射場。同時，這些國家和組織還建有相應的航天色行控制中心、測控網或深空網，以保持地面與航天器的聯系，即用無線電信號對其發出遙控指令并接收其傳回的所需信息及探測數據資料。

世界上發射升空的航天器雖然名目繁多，但從技術專業角度來講，主要分為入造地球衛星、空間探測器和載入航天器三大類型。入造地球衛星乃是所有航天器中發射數量最多的一種。

人造地球衛星的軌道

大家知道，月球由于擺脫不了地球的強大引力，只能在平均距離地球38.44萬千米的一條固定的近圓形軌道上進行環繞運行，因而成為地球唯一的天然衛星。那么，用推力足夠大的運載火箭發射一枚無人航天器到地球大氣層以外，使其在地球的引力作用下，沿著一條固定軌道環繞著地球運行，這個無人航天器就被稱為人造地球衛星。

人造地球衛星軌道是衛星環繞地球運行的路徑，它呈一條封閉的曲線形。這條封閉曲線形成的平面就叫人造地球衛星的軌道平面，軌道平面總是通過地心的。不難想象，圍繞地球運行的人造衛星，其軌道多種多樣。從衛星距離地球運行的高度來說，衛星軌道可分為飛行高度小于1 000千米的低軌道亦稱近地軌道：飛行高度在1 000千米到20 000千米之間的中高軌道；飛行高度大于20 000千米的高軌道。上述每種軌道中又包含著多條高低不同的軌道。

從衛星運行的軌道形狀來說，可分為圓形和橢圓形兩種。圓形軌道有同地球表面保持等距離的優點，所以常被用于有關通信廣播、觀察地球、導航定位、大地測量等功能的衛星。衛星在橢圓形軌道上運行時，離地面有遠近之分。軌道上離地面最遠的點被定義為遠地點，離地面最近的點被定義為近地點。

除了將衛星軌道分為圓形和橢圓形兩種形狀外，人們通常還會依照衛星軌道平面和地球赤道平面之間的夾角即軌道平面傾角的大小來區分人造地球衛星的軌道。由此，衛星軌道可分為順行軌道、極地軌道、逆行軌道和赤道軌道。為了衛星能在軌道上正常運行和開展預定的任務，它們都要受到地面飛行控制中心、測控系統的監控和管理。

1.順行軌道

順行軌道的特點是軌道傾角小于90度。在這種軌道上運行的衛星，絕大多數離地面較近，高度僅為數百千米，屬于近地軌道的范疇。我國地處北半球，要把衛星送入這種軌道，運載火箭要朝東南方向發射，這樣能夠利用地球自西向東自轉的部分速度，從而節約火箭的能量。能利用的地球自轉速度可以通過赤道自轉速度、發射方位角和發射點地理緯度計算出來。不難想象，在赤道上朝著正東方向發射衛星，可利用的速度最大，緯度越高即離赤道越遠能夠利用的速度越小。順行軌道是人造地球衛星中最常用的運行軌道。當然，火箭向東北方向發射衛星亦可進入另外一種軌道平面傾角小于90度的順行軌道，但應用較少。因此，人們在地面上看到的在天空中移動的衛星，大多數是沿著從西北到東南或從西南到東北的兩條順行軌道運行的。

2.極地軌道和逆行軌道

極地軌道通常簡稱為極軌道，是指衛星軌道平面傾角等于90度的軌道，即衛星向北極或南極方向發射和環繞地球兩極飛行。這種軌道的優點是：在其上運行的衛星可以飛經地球上任何地區的上空。

逆行軌道是指衛星軌道平面傾角大于90度的軌道，即衛星向西南方向發射和環繞地球飛行。在逆行軌道中主要使用的是太陽同步軌道。所謂太陽同步軌道指的就是衛星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向，軌道傾角稍大于90度，衛星要在地球南極西部和北極東部附近上空通過，因此又被稱為近極地太陽同步衛星軌道。為使衛星軌道平面始終與太陽保持固定的取向，因此軌道平面每天平均沿地球公轉方向（自西向東）轉動0.985 6度，這個角度正好是地球繞太陽公轉每天東移的角度，也就是說，衛星軌道平面一年要轉動360度。簡單地說就是衛星、太陽、地球始終保持三點一線，衛星一直處于中間位置。這樣做的優越性是，當衛星每次飛越某地上空時，太陽都是從同一角度照射該地，亦即衛星每次都在同一當地時間經過該地，這對照相偵察衛星、氣象衛星、資源衛星都很有利。

3.赤道軌道和地球靜止軌道

赤道軌道是指衛星軌道平面傾角等于0度的軌道，衛星軌道平面與地球赤道平面重合，衛星始終在赤道上空飛行。衛星向東南方向發射后經過變軌和調整使其在地球赤道上空向東飛行即可進入這種軌道。至于衛星運行高度和軌道形狀可在很大范圍內進行選擇。不過在這種類型的軌道中，除了地球靜止軌道外，比其低的軌道很少被采用。

地球靜止軌道是赤道中的一個特例。當衛星進入距離地面高度約為36000千米的正圓形赤道軌道上環繞地球向東運行時，軌道離心率和軌道傾角均為零，運動周期為23小時56分04秒，與地球自轉周期相吻合，角速度和地球自轉的角速度相同，故而從地面上望去，猶如衛星停留在空中一動不動一樣，始終位于地表面的同一位置上空，因此這條軌道通常被稱為地球靜止軌道。在地球靜止軌道上的1顆衛星覆蓋約40%的地球面積。在靜止軌道上均勻布設3顆通信衛星即可實現除南北極地區以外的全球通信。氣象衛星、通信衛星和廣播衛星常采用這種軌道。

人造地球衛星變軌

發射衛星入軌后以保障衛星在軌道上飛行，需要時又能改變衛星軌道形狀和位置的特殊能力，叫作變軌。要進行變軌，必須依靠衛星上攜帶的動力裝置，即小型火箭發動機。

發射衛星的運載火箭，當其脫離衛星并將其送入預定軌道的時候，入軌點的速度和大小會有少許偏差，衛星不一定能完全準確地進入預定軌道。入軌點在250千米高空的衛星，速度大小有千分之一的誤差，或方向角有半度的誤差，都會導致衛星軌道高度偏離50千米。鑒于對運載火箭入軌點的控制不可能達到絕對精確，因而只有在衛星入軌后，再對軌道進行修正，才能使其進入預定軌道。要實現兩顆在不同軌道上飛行的衛星在空間會合，也要改變其中一顆衛星的飛行方向和運行軌道，去向另一顆衛星靠攏。

最明顯的例證是，要從不在地球赤道上的航天場發射地球同步軌道衛星，這顆衛星最初進入的軌道平面，必然通過發射點和地心，這樣就使軌道平面和地球赤道之間形成一個夾角。要使軌道面和地球赤道面重合，就必須改變衛星軌道平面的傾角。

人造地球衛星的運行軌道，不僅是航天技術的基本知識，而且是一種重要的太空資源。要利用好這種太空資源，就必須及時做好衛星的變軌工作。我們今天的很多科技產品都要依賴衛星來提供信息，而衛星在哪個軌道上運行直接影響著它們的工作效果。所以，為了使一顆衛星的工作效果最大化，在它們發射前，科學家一定會根據各種因素為其選擇一個最佳的落腳點！