卫星科普 | 如何选择卫星轨道

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上篇我们介绍了轨道六根数（阅读上篇文章请点击：《卫星科普 | 什么是轨道》），知道了如何通过这六个参数描述轨道大小、形状和方位等。我们在商场买衣服的时候，可以根据自己的体型选择S、M、L、XL等不同尺码。在人类近70年的卫星工程应用中，形成了一系列典型的轨道类型，以此为鉴便能更好地选择适合卫星运行的轨道。本篇，我们将重点介绍如何根据任务需求选择最合适的卫星运行轨道。

卫星是不是飞得越快越好？

众所周知，在高速公路上行驶时必须保持合适的速度，在快车道上行驶时速度可达120码，在慢车道上时却不能超过80码。那么，卫星在轨道上飞行时，是不是也有“限速”呢？我们在游乐园坐过山车的时能够明显体会到，过弯速度越快，感受到的离心力就越大。卫星之所以能长期运行在轨道上，是因为卫星所受的地球引力与离心力之间达到了平衡，而平衡这两个力的关键因素之一就是卫星的飞行速度。



▲运载火箭发射卫星典型弹道

飞行速度过快（超过第二宇宙速度），则地球引力将拉不住卫星，卫星将脱离地球引力场，摇身一变成为深空探测器；飞行速度过慢（低于第一宇宙速度），则卫星会被地球引力拉回地球表面，“轨道”变成了“弹道”。因此，卫星在轨飞行速度并不是越快越好，而是要与其运行的轨道相匹配。由于第一宇宙速度是相对地球表面而言的，因此近圆轨道的地球卫星飞行速度其实都小于第一宇宙速度，轨道越高速度越慢，例如地球同步轨道卫星飞行速度仅约3km/s；而对于椭圆轨道卫星，卫星在近地点的飞行速度应小于第二宇宙速度。



▲三大宇宙速度



▲卫星飞行速度随轨道高度的变化曲线



卫星是不是飞得越高越好？

卫星飞行的轨道高度是指卫星距离地球水平面的距离。俗话说，站得高看得远。对于卫星而言，飞得越高，则看地球“视野”越宽。打个比方，假如一颗卫星携带相同视场的相机，在高轨道可以覆盖全中国，而在低轨道则只能覆盖宝岛台湾。但是，飞得越高，卫星“视力”也就越差，假如一颗卫星携带相同分辨率的相机，在高轨道只能看到一个停车场，而在低轨道则能看清停车场里有几辆车。因此，卫星飞行的轨道高度，应该与任务相匹配，合适的才是最好的。



▲不同轨道高度卫星看地球的视场角对比



▲地球视场角随卫星轨道高度的变化曲线



如何选择卫星轨道类型

每颗卫星都有自己独特的使命任务，有的需要完成高分辨率地球遥感、有的需要实现信息的低时延转发、有的需要执行广域电视转播业务，我们需要根据卫星的任务需求选择最合适的轨道。典型的轨道类型有太阳同步轨道(SSO)、低倾角倾斜轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)、地球同步轨道(GEO)、大椭圆轨道(HEO)等，每种轨道类型都能各显神通。



▲不同类型的卫星轨道



▲不同类型轨道卫星运行图


太阳同步轨道
针对全球卫星遥感成像任务的需求，太阳同步轨道是其最佳选择，这类轨道高度约为500km~2000km。可以确保阳光入射到轨道平面的夹角保持不变，卫星的光、热环境非常稳定，且卫星轨道接近经过地球南北极，十分有利于卫星实现全球覆盖遥感成像。此外，太阳同步轨道还是个非常优秀的“打光师”，卫星每次给地球上某个地方拍照的时候都有相同的“打光”效果，为气象、科学等对地观测卫星提供了良好的工作条件。我国很多卫星都运行在太阳同步轨道上，如风云一号、风云三号气象卫星和高分五号等。



▲太阳同步轨道示意图



▲太阳同步轨道卫星每一圈经过赤道对应的地方时均一致



▲太阳同步轨道卫星运行图



▲太阳同步轨道卫星地面轨迹覆盖图


低倾角倾斜轨道
由于地球南北极附近气候严寒，因此地球上人口在南北纬60°之间的中低纬度分布相对比较密集。针对中低纬度区域的观测或通信任务需求，低倾角倾斜轨道是首选，其轨道高度约为300km~2000km。而且，这类轨道的高度可以设计得较低，更易于实现高分辨率探测和低时延通信，比如美国的“锁眼”系列光学成像侦察卫星、SpaceX的“星链”等均采用这类轨道。



▲低倾角倾斜轨道卫星运行图



▲低倾角倾斜轨道示意图



▲低倾角倾斜轨道卫星地面轨迹覆盖图


中地球轨道
中地球轨道一般为圆轨道，轨道高度约为2000km~20000km，介于近地轨道和地球静止轨道之间，由于飞行高度显著抬高，因此相比近地轨道卫星覆盖能力大幅提升，是全球导航系统的首选轨道，可以用较少数量的卫星组网实现全球覆盖，如欧洲的Galileo、美国的GPS和我国的北斗（部分）均运行在该轨道上。



▲Galileo导航卫星星座


地球同步轨道
在气象观测中，既需要低轨卫星实现全球覆盖，也需要高轨卫星“盯着”国土以实现对台风等极端天气的实时追踪；在电视转播和通信业务应用中，需要卫星的天线持续指向设定区域。针对这种实时持续观测和通信任务需求，地球同步轨道是首选，其轨道高度约为36000km，卫星绕轨道转一圈正好等于地球自转周期，所以称之为“同步”轨道。



▲地球静止轨道卫星运行图

当轨道倾角为0°时，地球同步轨道就变成了地球静止轨道，卫星相对地球几乎是“静止不动”的，我国的风云二号、风云四号气象卫星就运行在地球静止轨道上。然而，直接将卫星送入该轨道对运载火箭的要求极高，因此一般通过运载火箭先将卫星送到转移轨道，再由卫星自带的推进系统完成变轨进入同步轨道。



▲变轨进入地球同步轨道


大椭圆轨道
大椭圆轨道最初由苏联人设计，由于其大部分国土处在高纬度地区，因此他们对高纬度观测、通信任务的需求较大。大椭圆轨道中应用最广泛的是“闪电”轨道（Molniya），当卫星抵达该轨道近地点时，它的飞行速度会突然加快，如“闪电”一般，以极快的速度通过近地点，飞向远地点。这条轨道的特殊性保证了卫星在该轨道飞行时，至少会有一半的时间在远地点附近，从而形成“准静止”悬停在北极上空的效果。

为了保持大椭圆轨道的近地点在南极上空，远地点在北极上空，苏联轨道设计师经过严密的数学推导，发现当轨道倾角为63.4°时，对应轨道近地点幅角变化率为零，从而可以把轨道“拱线”（远地点与近地点连线）固定住，换句话说，就是将轨道平面的方位在空间中“冻结”住。而且，大于或小于63.4°都无法实现该效果，要求十分临界。因此，该轨道又称之为“大椭圆临界倾角冻结轨道”。假如每颗卫星轨道周期为12小时，则该卫星至少有6小时处于远地点附近，那么两颗卫星接力即可实现对高纬度大面积区域的覆盖。因此，大椭圆轨道特别适合于高纬度国家的电视广播、中继、气象监测等业务应用。

▲大椭圆轨道示意图

作者：洪振强、王京士、董召勇、凌惠祥、李   卓

编辑：曹令懿

责编：杨   丽

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