涨知识 | 关于卫星星下点轨迹，这些你了解吗？

kimkk

近期中国航天喜讯不断，“羲和”探日，神十三载人飞船发射成功、我们在观看卫星发射的电视转播时,在宇宙飞船控制中心的大屏幕上都会看到如图所示的曲线，本文将对此曲线做一分析。

先来认识几个概念
1、星下点
绕地球运转的卫星质心和地心的连线与地球表面相交的点叫做星下点。星下点也是人造地球卫星绕地球运行过程中，经过其轨道上的每一个位置时，卫星在地球表面上所形成的个投影点。
2、星下点轨迹
卫星绕地球运动过程中所有星下点连成的曲线叫做星下点轨迹，人们用星下点轨迹来表示卫星在地球上空的飞行路线。

3、影响卫星在地球上形成的星下点轨迹的主要因素
卫星的轨道倾角大小，地球自转以及卫星绕地球转动这两种运动的合成，造成不同卫星的星下点轨迹不同。
4、卫星的轨道倾角
卫星运动的轨道平面与地球赤道平面的夹角。

5、四种卫星运行轨道及其轨道倾角与星下点轨迹：
(1)赤道轨道
轨道倾角为0°的运行轨道，此时卫星就在赤道上空飞行，卫星轨道平面和赤道平面重合，卫星的星下点轨迹为沿赤道运动的直线，这种轨道有无数条，但其中有一条非常特殊而极其重要，即地球静止轨道(地球同步轨道)。当不考虑轨道摄动时，在地球同步轨道上运行的卫星每天在相同时刻经过相同地点的上空，对地面观测者来说，每天相同时刻卫星会出现在相同的方向上。
地球静止轨道必位于赤道平面内且在赤道上空35786km高处，此轨道上的卫星是由西向东运行(与地球自转方向相同)且其周期恰好与地球自转周期相等，即为23时56分4秒，故卫星与地球始终保持相对静止状态，从地面上看卫星犹如固定在赤道上空某点。世界上主要的通信卫星都分布在这条轨道上，发射这类卫星时卫星上要携带远地点发动机，运载火箭把卫星送入大椭圆同步转移轨道后将在远地点处用远地点发动机点火而把卫星送入静止轨道。

(2)顺行轨道
轨道倾角小于90°的运行轨道，在这种轨道上运行的卫星绝大多数离地面较近，高度约为数百千米，故又称为近地轨道。卫星在绕地心运转的同时地球也绕其自转轴旋转，这两种运动合成使卫星的星下点轨迹可以达到地球表面的一定纬度范围，而且卫星轨道倾角越大，星下点轨迹的范围越大，卫星所覆盖的南北范围也越大。由分析可知星下点所达到的最大纬度即等于卫星轨道倾角。
(3)极地轨道
轨道倾角等于90°的运行轨道，它是因卫星轨道平面通过地球南北两极而得名。在这种轨道上运行的卫星可以飞经地球上任何地区上空。
(4)逆行轨道
轨道倾角大于90°的运行轨道。卫星在绕地心运转的同时地球也绕其自转轴旋转，这两种运动合成使卫星的星下点轨迹可以达到地球表面的一定纬度范围，而且卫星轨道倾角越大，星下点轨迹的范围越小，卫星所覆盖的南北范围也越窄。由分析可知星下点所达到的最大纬度即等于180°减去卫星轨道倾角在我国欲把卫星送入逆行轨道运行，运载火箭要朝西南方向发射，这不仅无法利用地球自转的部分速度，而且还要付出额外能量克服地球自转。因此，除了太阳同步轨道外，一般都不利用这类轨道。
计算星下点地心经纬度

在实际情况的星下点轨迹计算中要比理想状态下复杂得多，要考虑到轨道摄动（涉及许多摄动力，如中心体非球形摄动力、低轨道空气阻力等）等因素，由于这些因素星下点轨迹也在实时变化，对轨道及星下点轨迹要求高的卫星（如区域性服务卫星）需要轨道修正来保持星下点轨迹的相对稳定。
理想状态下，处在轨道高度为13892km、轨道倾角为60°的圆形轨道且初始位置为（0°E，0°N）的一颗卫星的星下点轨迹（24小时制）由于地球是形状不规则的椭球以及一些实际因素，一般来说从二维世界地图上看，星下点轨迹并不是单独的一条曲线，而是许许多多的平滑曲线，不同圈数对应不同的曲线，但是在三维地球上，它们能连在一起而形成一个很长的曲线，理想状态下一定圈数形成一个循环，就像下图一样。