人造地球卫星的轨道

尹怀勤

自从苏联于7957年10月4日成功发射世界上第一颗入造地球卫星以来，航天技术发展迅猛，不仅成为入类认识和改造自然进程中极其活跃的科技领域之一，而且也成为入类文明高度发展的重要标志。

为了进行航天发射，世界上的航天大国如美国、俄罗斯、中国、日本和欧洲空间局联合体等己研制成功多种运载火箭并建设了多个航天器发射场。同时，这些国家和组织还建有相应的航天色行控制中心、测控网或深空网，以保持地面与航天器的联系，即用无线电信号对其发出遥控指令并接收其传回的所需信息及探测数据资料。

世界上发射升空的航天器虽然名目繁多，但从技术专业角度来讲，主要分为入造地球卫星、空间探测器和载入航天器三大类型。入造地球卫星乃是所有航天器中发射数量最多的一种。

人造地球卫星的轨道

大家知道，月球由于摆脱不了地球的强大引力，只能在平均距离地球38.44万千米的一条固定的近圆形轨道上进行环绕运行，因而成为地球唯一的天然卫星。那么，用推力足够大的运载火箭发射一枚无人航天器到地球大气层以外，使其在地球的引力作用下，沿着一条固定轨道环绕着地球运行，这个无人航天器就被称为人造地球卫星。

人造地球卫星轨道是卫星环绕地球运行的路径，它呈一条封闭的曲线形。这条封闭曲线形成的平面就叫人造地球卫星的轨道平面，轨道平面总是通过地心的。不难想象，围绕地球运行的人造卫星，其轨道多种多样。从卫星距离地球运行的高度来说，卫星轨道可分为飞行高度小于1 000千米的低轨道亦称近地轨道：飞行高度在1 000千米到20 000千米之间的中高轨道；飞行高度大于20 000千米的高轨道。上述每种轨道中又包含着多条高低不同的轨道。

从卫星运行的轨道形状来说，可分为圆形和椭圆形两种。圆形轨道有同地球表面保持等距离的优点，所以常被用于有关通信广播、观察地球、导航定位、大地测量等功能的卫星。卫星在椭圆形轨道上运行时，离地面有远近之分。轨道上离地面最远的点被定义为远地点，离地面最近的点被定义为近地点。

除了将卫星轨道分为圆形和椭圆形两种形状外，人们通常还会依照卫星轨道平面和地球赤道平面之间的夹角即轨道平面倾角的大小来区分人造地球卫星的轨道。由此，卫星轨道可分为顺行轨道、极地轨道、逆行轨道和赤道轨道。为了卫星能在轨道上正常运行和开展预定的任务，它们都要受到地面飞行控制中心、测控系统的监控和管理。

1.顺行轨道

顺行轨道的特点是轨道倾角小于90度。在这种轨道上运行的卫星，绝大多数离地面较近，高度仅为数百千米，属于近地轨道的范畴。我国地处北半球，要把卫星送入这种轨道，运载火箭要朝东南方向发射，这样能够利用地球自西向东自转的部分速度，从而节约火箭的能量。能利用的地球自转速度可以通过赤道自转速度、发射方位角和发射点地理纬度计算出来。不难想象，在赤道上朝着正东方向发射卫星，可利用的速度最大，纬度越高即离赤道越远能够利用的速度越小。顺行轨道是人造地球卫星中最常用的运行轨道。当然，火箭向东北方向发射卫星亦可进入另外一种轨道平面倾角小于90度的顺行轨道，但应用较少。因此，人们在地面上看到的在天空中移动的卫星，大多数是沿着从西北到东南或从西南到东北的两条顺行轨道运行的。

2.极地轨道和逆行轨道

极地轨道通常简称为极轨道，是指卫星轨道平面倾角等于90度的轨道，即卫星向北极或南极方向发射和环绕地球两极飞行。这种轨道的优点是：在其上运行的卫星可以飞经地球上任何地区的上空。

逆行轨道是指卫星轨道平面倾角大于90度的轨道，即卫星向西南方向发射和环绕地球飞行。在逆行轨道中主要使用的是太阳同步轨道。所谓太阳同步轨道指的就是卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道倾角稍大于90度，卫星要在地球南极西部和北极东部附近上空通过，因此又被称为近极地太阳同步卫星轨道。为使卫星轨道平面始终与太阳保持固定的取向，因此轨道平面每天平均沿地球公转方向（自西向东）转动0.985 6度，这个角度正好是地球绕太阳公转每天东移的角度，也就是说，卫星轨道平面一年要转动360度。简单地说就是卫星、太阳、地球始终保持三点一线，卫星一直处于中间位置。这样做的优越性是，当卫星每次飞越某地上空时，太阳都是从同一角度照射该地，亦即卫星每次都在同一当地时间经过该地，这对照相侦察卫星、气象卫星、资源卫星都很有利。

3.赤道轨道和地球静止轨道

赤道轨道是指卫星轨道平面倾角等于0度的轨道，卫星轨道平面与地球赤道平面重合，卫星始终在赤道上空飞行。卫星向东南方向发射后经过变轨和调整使其在地球赤道上空向东飞行即可进入这种轨道。至于卫星运行高度和轨道形状可在很大范围内进行选择。不过在这种类型的轨道中，除了地球静止轨道外，比其低的轨道很少被采用。

地球静止轨道是赤道中的一个特例。当卫星进入距离地面高度约为36000千米的正圆形赤道轨道上环绕地球向东运行时，轨道离心率和轨道倾角均为零，运动周期为23小时56分04秒，与地球自转周期相吻合，角速度和地球自转的角速度相同，故而从地面上望去，犹如卫星停留在空中一动不动一样，始终位于地表面的同一位置上空，因此这条轨道通常被称为地球静止轨道。在地球静止轨道上的1颗卫星覆盖约40%的地球面积。在静止轨道上均匀布设3颗通信卫星即可实现除南北极地区以外的全球通信。气象卫星、通信卫星和广播卫星常采用这种轨道。

人造地球卫星变轨

發射卫星入轨后以保障卫星在轨道上飞行，需要时又能改变卫星轨道形状和位置的特殊能力，叫作变轨。要进行变轨，必须依靠卫星上携带的动力装置，即小型火箭发动机。

发射卫星的运载火箭，当其脱离卫星并将其送入预定轨道的时候，入轨点的速度和大小会有少许偏差，卫星不一定能完全准确地进入预定轨道。入轨点在250千米高空的卫星，速度大小有千分之一的误差，或方向角有半度的误差，都会导致卫星轨道高度偏离50千米。鉴于对运载火箭入轨点的控制不可能达到绝对精确，因而只有在卫星入轨后，再对轨道进行修正，才能使其进入预定轨道。要实现两颗在不同轨道上飞行的卫星在空间会合，也要改变其中一颗卫星的飞行方向和运行轨道，去向另一颗卫星靠拢。

最明显的例证是，要从不在地球赤道上的航天场发射地球同步轨道卫星，这颗卫星最初进入的轨道平面，必然通过发射点和地心，这样就使轨道平面和地球赤道之间形成一个夹角。要使轨道面和地球赤道面重合，就必须改变卫星轨道平面的倾角。

人造地球卫星的运行轨道，不仅是航天技术的基本知识，而且是一种重要的太空资源。要利用好这种太空资源，就必须及时做好卫星的变轨工作。我们今天的很多科技产品都要依赖卫星来提供信息，而卫星在哪个轨道上运行直接影响着它们的工作效果。所以，为了使一颗卫星的工作效果最大化，在它们发射前，科学家一定会根据各种因素为其选择一个最佳的落脚点！