漫话卫星轨道(1)：轨道的高度要多高才合适？

NEONNY

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汽车有公路，列车有轨道，飞机有航线。自然，天上的卫星也有“道”——卫星运行轨道。
早期人们很崇尚3万6千公里高的卫星，三颗看遍全球；当今又推崇低轨小星，星座看遍全球。WHY？

还是先从“卫星”说开来吧。

卫星都是人造的吗？

对于天文学而言，卫星当然不是人造的。
在天文学的字典里，卫星是指在天上的闭合轨道上绕某一颗行星运行的天体。比如月亮，它围绕地球运行，于是我们说它是地球的卫星。

地球上的东西，把它抛向天空，它会掉下来。但如果你的力量足够大，把它抛很高很高，它就不会掉下来！于是，就有了人造的卫星！
人造的、且发到天上后是围绕地球运行的，我们就叫它人造地球卫星。当然，也可以有人造火星卫星，围绕火星运行。不过，下面的“卫星”，除非特别说明，都是指“人造地球卫星”。
把人造的卫星放到天上去，干什么事，其实与卫星本身并没有太直接的关系，主要还是看卫星上面装载了什么东西，这些东西能干什么事。装个摄像头，它就能朝地球照相，可能是颗侦察卫星；装个无线电转发器，它就类似一个地面基站，人们叫它通信卫星。当然，还有气象卫星，导航卫星，等等。
我们一定会猜到，卫星肯定是有大有小，有重有轻。重的，其实就是大的，所以叫大卫星；轻的，其实就是小的，所以叫小卫星。大卫星大于1吨；自然，小于1吨的就叫小卫星了。不过，小卫星又分为迷你卫星、微卫星、纳米卫星，等等，纳米卫星只有10公斤左右。当然，对我们非专业人士而言，还是就以“大”、“小”之分最方便。
轨道有多高？

各种人造地球卫星，都在它们各自的轨道上绕地球运行。卫星轨道离地面的高度，有三种：低轨道（LEO）、中轨道（MEO）和高轨道（GEO）。
一般的说法是：
低轨道：200km～2000km
中轨道：2000km～20000km （2千～2万公里）
高轨道：20000km以上（2万公里以上）
人们习惯上对三种高度的说法在数值上并不完全一致。但大体上还是差不多，例如，百度百科（https://baike.baidu.com/item/人造地球卫星轨道）说：根据卫星运行的高度，卫星轨道分为：
低轨道：卫星飞行高度小于1000公里；
中高轨道：卫星飞行高度在1000公里到20000公里之间；
高轨道：卫星飞行高度大于20000公里。
如果你要深究，会发现百度"低轨道”的说法并不太合适，因为卫星太低了会从天上掉下来！——根据计算，运行轨道要在120Km以上卫星才不会掉下来。所以低轨不光是小于1000公里，还得有个"不低于多少"的下限。
还有些说法也不别太在意严格的统一定义，例如，“近地轨道”，百度百科说：轨道高度较低的对地卫星轨道（通常轨道高度低于2000千米）称作近地轨道（https://baike.baidu.com/item/近地轨道/3287059），但也有人把低轨、中轨都叫做近地轨道。
轨道高好还是低好？


通俗一点：低了看得清，高了看得远。
轨道低了，离地球表面近，卫星“看”地球就比高的卫星“看”得清。这里的“看”地球，技术一点的说法，就是“感知”地球。所以，对地观测卫星、测地卫星等，一般采用低轨道，例如，有的低轨气象卫星的轨道高度在800km左右。



静止卫星轨道示意图
轨道高了，就可以看很远——“看”到的范围很宽。例如，3万6千公里上空的高轨道卫星，只需要部署三颗，就可以“看遍”全球！——对地静止轨道卫星。
还有一点：距离近了就“省时省力”——短时延低功耗
天上的卫星要与地球联系，包括地面对卫星的控制和信息传输等。这就需要无线电。远了，路径损耗大，无线电的功率就要足够大才行。而且，路程远了，所以传播时延就增加了，因为电波的速度是一定的。

显然，最高的卫星，它与地面之间传播信号的时延就最长。
以高轨道卫星通信为例，我们来初略计算一下时延：

电波速度是300000km/s。对地静止轨道，按赤道上空高度约35786km计算。地球赤道半径为6378km，地球平均半径6371km。显然，赤道上空轨道到地心距离为4.2146万km。用中学生的勾股定理，加上小学生的行程问题，就可以算出地面与卫星之间的电波传播时延。如下图：


对地静止卫星通信时延计算示意图
上图计算的结果是：对地静止卫星B到波束覆盖边缘C点的单向传播时延约为142ms（0.142秒）,双向（来回）传播时延为284ms；星下点D到卫星的双向传播时延约为0.119ms*2=0.238ms；即对地静止卫星双向电波传播时延在0.238~0.284ms之间。教科书上通常考虑的双向传播时延典型值为270ms。
考虑地球上有甲、乙两地通过卫星进行通信。从甲到卫星再到乙、然后从乙经卫星再回到甲，一次往返的时延为540ms。当然，这并没有包括终端和星上的处理时间开销。
还有一点，高轨道卫星与地面的信号传输，由于距离远，路径损耗大，当然需要大功率，具体数值可以参见卫星通信信道或卫星链路设计的相关知识，上千瓦的事是有的。需要特别说一下的是，大功率不仅仅是耗能问题，还涉及到体积问题。


某公司生产的4.5米静止轨道卫星通信地面站天线
低轨卫星的代表

对于公众个人通信、物联网类似的应用，要与卫星“直通”，距离显然不能太远，也就是轨道不能太高。但轨道低了“照看”的范围有限，于是就需要多个卫星链接起来，每颗卫星就相当于地面上的一个基站，构成一个网络，这些分布在空中的卫星构成一个所谓的“星座”。
最早的低轨卫星通信系统当推Motorola公司1987年提出的铱（Iridium）卫星移动通信系统，打算是由77颗（后来说只需66颗就可以满足覆盖需求了）小卫星分布于离地面785Km的上空，7个轨道平面，通过微波链路形成全球连接网络。但那时太早，市场与资金甚至也许还有技术上的问题，铱星系统未能盈利，2000年3月铱星公司破产。不过，后来重组，继续铱星。
铱星系统1997年开始部署，网络于1998年开始运行，2019年完成星座更换，替换了所有卫星。


铱星系统示意图. 原图来源于铱星官网，中文由小编标注.


铱星系统覆盖高纬度地区示意图. 原图来源于铱星官网，中文由小编标注

今天，随着公众个人移动通信业务和技术的不断发展，特别是卫星物联网的兴起，唤起了人们对低轨卫星的热情，使之成为了当前卫星通信中最热门的话题。
我国目前的系统有鸿雁、虹云和行云等。


鸿雁星座  图片来自网络


虹云工程  图片来自网络



行云工程  图来自网络
结束语


"卫星"本身虽然很重要，但更有意义的是装在卫星上的那些东西能干什么。要满足不同的需求，就需要确定不同的卫星运行轨道，最简单的道理就是：高了看得远（宽），近了看得清；远了费时费“力“（power），近了省时省力（低时延低功耗）。

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