漫话卫星轨道(4)：太阳同步轨道

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一年前，我们发了关于卫星轨道的文章，但没有谈到太阳同步轨道，今天就来谈谈。“与地球同步”，说的是卫星绕地球飞行的事，难道“与太阳同步”说的是卫星绕太阳飞行吗？

0   “同步”回顾

阅兵方队中每个人的步伐必须“同步”。
视频的声音与画面必须“同步”。

“同步”含义：两个或两个以上的对象在运动过程中保持一种固定的关系。

注意上面说的“两个对象”。

地球同步轨道（synchronous orbit ）：人造卫星绕地球飞行与地球自转同步——卫星在轨道上运行一圈，地球也自转一圈 ——卫星在轨道上运行一圈所需时间（轨道周期T）与地球自转一圈所需时间（地球自转周期）相同。



图1 地球同步卫星运行示意

1  地球带着卫星绕太阳“公转”

地球同步轨道，说的是卫星绕地球飞行与地球自转同步。太阳同步轨道（sun-synchronous orbit），说的是卫星绕太阳飞行吗？显然不是！卫星的轨道可不是绕太阳的。那么，怎么说卫星的轨道与太阳同步呢？
首先，地球绕太阳公转，而卫星绕地球飞行，所以，卫星轨道也随着地球一起在绕太阳“公转”。




图2 地球绕太阳公转地球绕太阳公转，而卫星绕地球飞行。



图3 卫星轨道随地球一起绕太阳“公转”

2 太阳同步轨道的"同步"含义


在卫星轨道随地球一起绕太阳“公转”的过程中，如果轨道平面能够始终“与太阳同步”——在地球公转的过程中与太阳-地球连线（光线）的夹角保持不变——卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，那么，这样的轨道就叫“太阳同步轨道”。可见，“与太阳同步”，说的是：地球公转过程中，卫星的轨道面同步地跟随太阳，与日地连线（太阳视线）的夹角保持不变。也就是说，卫星轨道平面朝向太阳的方向始终保持不变。



图4 太阳同步轨道面示意图，

图4 太阳同步轨道面示意图，红色的轨道面与太阳和地球的连线（太阳视线）始终保持固定的夹角地球带着卫星一起绕太阳公转，公转的平均角速度是360度/年。为保持轨道平面始终与太阳保持固定的取向，在地球绕太阳转一圈的同时，卫星的轨道平面也要绕地球的轴线旋转一周。为保持轨道平面始终与太阳保持固定的取向，在卫星随地球绕太阳公转时，轨道平面每天要自西向东作0.9856度的转动，即太阳同步轨道平面一年需要旋转360度。
太阳同步轨道是轨道平面绕地球自转轴旋转的，方向与地球公转方向相同，旋转角速度等于地球公转的平均角速度(360度/年)的轨道，它距地球的高度不超过6000千米。



图4 地球公转过程中卫星轨道平面转示意图

3 太阳同步卫星

在太阳同步轨道上运行的卫星称为太阳同步卫星。轨道平面始终与太阳保持固定的取向，也就是轨道平面与太阳视线的夹角不变，这就保证了太阳的光照基本不变。
太阳同步卫星每天在相同的地方时经过世界各地，每天在大致相同的太阳对地光照条件下观测地面。“同时”且“同光照”，这对观测地球非常有利。
特别是，有利于采用可见光相机的遥感卫星在同一时间连续对地观测。这类卫星有资源卫星、侦察卫星和气象卫星等。

4 应用例子

风云一号气象卫星。


风云一号气象卫星是中国研制的第一代准极地太阳同步轨道气象卫星。01批01批的“风云一号”A星于1988年7月9日发射，B星于1990年9月3日发射。02批02批卫星在01批的基础上，改进了姿态控制系统的可靠性和扫描辐射计的性能，将5个通道增加到10个；甚高分辨率图像传输（HRPT）数传码速率相应提高一倍；星上安装固态存储器，实现了延时图像传输（DPT）的数字化。这一系列的改进使02批卫星性能大幅提高，寿命也大大超过两年的设计寿命。02批“风云一号”C星于1999年5月10日发射，D星于2002年5月15日发射。【来源：中国气象局官网】

5   后记


太阳同步轨道，轨道倾角接近90°，在两极附近通过，所以是近极地太阳同步轨道。这样，由于地球的自转，方便俯瞰整个地球表面。地球非球形摄动，导致卫星轨道平面绕地球自转轴旋转（进动），详细讨论见专业性讨论。



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