科普 | 什么是低倾角轨道?为何卫星在这个轨道上需要定期调头飞行?

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风云三号G星是风云卫星家族中的第20星，作为我国首颗降水测量专用星，为什么需要采用全新的低倾角轨道？新轨道带来什么技术难题，又是如何化解的？本篇带您一探究竟。

什么是低倾角轨道

提到“低倾角”，首先需要理解轨道倾角的基本概念。卫星由运载火箭发射入轨后，在地球引力的作用下，周而复始围绕地球作圆周运动，就像火车在环形轨道上运行一样，因此我们将卫星运动的轨迹也称为“轨道”，卫星轨道所在的平面也就称为“轨道平面”。而地球赤道所在的平面为“赤道平面”，轨道倾角就是指卫星“轨道平面”与地球“赤道平面”之间的夹角。夹角为0度，说明卫星运行的轨道平面与赤道平面重合；夹角为90度，说明卫星运行的轨道平面与赤道平面垂直。



图1 轨道倾角示意图

那什么是低倾角轨道？简单来说，指卫星的轨道倾角介于0度到90度之间轨道。由于目前低轨卫星大多数采用太阳同步轨道，而太阳同步轨道的倾角一般都在98度附近，风云三号G星则与众不同，采用了倾角为50度的“低倾角轨道”。



图2 风云三号G星在轨效果图

为什么选择低倾角轨道？

在太阳同步轨道上，轨道面运动的速度与太阳直射点的运动速度（每天自西向东运动0.9856度）一致，轨道平面与太阳的位置关系保持相对不变，阳光始终从同样的角度照射卫星本体，光照条件一致使得卫星在轨的热环境非常稳定，从而有利于简化卫星热控系统设计。这也是很多低轨卫星采用太阳同步轨道的重要原因之一。



图3 风云三号G星在轨效果图

那么风云三号G星为什么不选择太阳同步轨道呢？由于太阳同步轨道的倾角是略大于90°的，因此卫星每一圈都会经过地球的南北极，使其针对极区观测效率较高，但对中低纬度地区观测效率偏低。而风云三号G星的主要观测对象是大气中的降水现象，全球降水又主要发生在地球的中低纬度地区，为了提高降水观测的时效性，风云三号G星便采用了轨道倾角为50°的低倾角轨道，卫星的运动范围集中在南北纬50°之间，从而可以更高效、更精准地观测地球的降水现象。



图4 风云三号G星覆盖范围

低倾角轨道面临的挑战

选用低倾角轨道面临的显著问题是卫星的外部热环境变化复杂，对于运行在这种轨道上的卫星，太阳会定期出现在轨道面的两侧，也就是说一段时间内，太阳照射卫星的左侧面，但过一段时间，太阳又会照射卫星的右侧面，如此往复，周期约为28天。

图5 风云三号G星定期调头飞行

我们知道，在太空中，阳光照射的地方温度可以达到90℃以上，而阴影的地方温度可以低至-90°C。为确保卫星始终以同一侧面面向太阳，稳定卫星的外部热环境，航天科技工作者们为风云三号G星量身定制了一套自动调头工作模式，在轨运行过程中，当太阳光从轨道面的一侧运动到另一侧时，风云三号G星将自动旋转，实现前后调头，从而确保始终以同一个侧面面向太阳。这样，无论太阳在什么位置，卫星的外部热环境都能相对稳定，从而保障了星上仪器始终处于舒适的温度区间，发挥更好的性能。

风云三号G星是我国首颗降水测量专用星，其成功发射和在轨运行，标志着我国天基降水测量进入了主动探测的新阶段。5月1日，它已正式投入业务运行，期待它的在轨的更多精彩表现吧。

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来源：上海航天

编辑：岳   月
初审：齐   阳

审核：马志勇