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什么是人造地球卫星轨道?什么叫地球同步和地球静止卫星轨道?什么叫太阳同步轨道?

发布日期:2004年09月09日字体: 【大】【中】【小】

    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。

  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。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。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。

  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。

  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,其交叉点在地球赤道上。

  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。

转    自:《叩开太空之门—航天科技知识问答》

本文编辑:闫秋

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