科普 一文读懂 人造地球卫星的种类

adccarry

正如剧院中的不同座位为表演提供不同的视角一样，不同的地球轨道为卫星提供了不同的视角，每个视角都有价值，原因不同。有些似乎悬停在一个地方上，提供了地球一个面的恒定视图，而另一些则环绕着地球，在一天内在许多不同的地方上空穿梭。

国际空间站和其他轨道卫星在地球上空飞行数百公里，为我们的星球提供了独特的视角。（美国宇航局照片S126-E-014918。
地球轨道基本上有三种类型：高地球轨道、中地球轨道和低地球轨道。许多天气和一些通信卫星往往具有高地球轨道，离地表最远。在中（中）地球轨道上运行的卫星包括导航卫星和专用卫星，旨在监测特定区域。大多数科学卫星，包括美国宇航局的地球观测系统舰队，都有低地球轨道。

对轨道进行分类的一种方法是按高度。低地球轨道从大气层顶部开始，而高地球轨道从大约十分之一开始到达月球。（罗伯特·西蒙的NASA插图）
轨道的高度或卫星与地球表面之间的距离决定了卫星绕地球移动的速度。地球轨道卫星的运动主要由地球引力控制。随着卫星离地球越来越近，重力的拉力越来越强，卫星的移动速度也更快。例如，美国宇航局的Aqua卫星需要大约99分钟才能绕地球运行约705公里，而距离地球表面约36，000公里的气象卫星需要23小时56分4秒才能完成一个轨道。月球距离地球中心384，403公里，在28天内完成一个轨道。

卫星的轨道越高，它的移动速度就越慢。某些轨道高度具有特殊属性，例如地球同步轨道，其中卫星每天只绕地球一周。此图中每个红色箭头的长度表示卫星在一小时内行驶的距离。查看动画。（罗伯特·西蒙（Robert Simmon）的NASA插图。
改变卫星的高度也会改变它的轨道速度。这就引出了一个奇怪的悖论。如果卫星操作员想要提高卫星的轨道速度，他不能简单地发射推进器来加速卫星。这样做会提高轨道（增加高度），这会减慢轨道速度。相反，他必须向与卫星向前运动相反的方向发射推进器，这种动作在地面上会减慢移动的车辆。这一变化将把卫星推入较低的轨道，这将增加其前进速度。
除了高度，偏心率和倾角也决定了卫星的轨道。偏心率是指轨道的形状。具有低离心率轨道的卫星围绕地球近圈移动。偏心轨道是椭圆形的，卫星与地球的距离根据其在轨道上的位置而变化。

轨道的偏心率（e）表示轨道与完美圆的偏差。圆形轨道的偏心率为 0，而高偏心轨道的偏心率更接近（但始终小于）1。偏心轨道上的卫星围绕椭圆的一个焦点移动，而不是围绕中心移动。（罗伯特·西蒙（Robert Simmon）的NASA插图。
倾角是轨道相对于地球赤道的角度。直接在赤道上方轨道运行的卫星的倾角为零。如果卫星从北极（地理，非磁性）到南极的轨道，则其倾角为90度。

轨道倾角是轨道平面与赤道之间的角度。轨道倾角为0°，正上方为90°，轨道倾角为正上方，轨道倾角为180°，与地球自转方向相反。（罗伯特·西蒙（Robert Simmon）的NASA插图。
卫星的高度、偏心率和倾角共同决定了卫星的路径以及它对地球的看法。
高轨卫星

当一颗卫星距离地球中心正好42，164公里（距离地球表面约36，000公里）时，它进入了一种“最佳点”，其轨道与地球的自转相匹配。由于卫星的轨道速度与地球转动的速度相同，因此卫星似乎停留在单个经度上，尽管它可能从北向南漂移。这种特殊的高地球轨道被称为地球同步轨道。
直接在赤道上空的圆形地球同步轨道上的卫星（偏心率和倾角为零）将具有相对于地面根本不移动的地球静止轨道。它总是直接在地球表面的同一位置上。
地球静止轨道对于天气监测非常有价值，因为该轨道上的卫星提供了相同表面积的恒定视图。当你登录你最喜欢的天气网站，查看你家乡的卫星视图时，你看到的图像来自地球静止轨道上的卫星。每隔几分钟，像地球静止实用环境卫星（GOES）卫星这样的地球静止卫星就会发送有关云，水蒸气和风的信息，这种近乎恒定的信息流是大多数天气监测和预报的基础。

地球静止轨道上的卫星与地球在赤道正上方旋转，持续停留在同一地点上方。这个位置允许卫星观察天气和其他在短时间内变化的现象。（NASA图片由Marit Jentoft-Nilsen和Robert Simmon拍摄。
由于地球静止卫星始终位于单个位置，因此它们也可用于通信（电话，电视，广播）。GOES卫星由美国宇航局建造和发射，由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）运营，提供了一个搜索和救援信标，用于帮助定位遇险的船只和飞机。
最后，许多高地球轨道卫星监测太阳活动。GOES卫星携带大量“空间天气”仪器，可以拍摄太阳图像并跟踪周围空间中的磁和辐射水平。
其他轨道“甜蜜点”，就在高地球轨道之外，是拉格朗日点。在拉格朗日点，来自地球的引力抵消了来自太阳的引力。 放置在这些点上的任何东西都会感觉同样被拉向地球和太阳，并将与地球围绕太阳旋转。
在日地系统中的五个拉格朗日点中，只有最后两个，称为L4和L5，是稳定的。其他三个点的卫星就像一个在陡峭山顶平衡的球：任何轻微的扰动都会将卫星推出拉格朗日点，就像球从山上滚下来一样。这三个点的卫星需要不断调整以保持平衡和到位。最后两个拉格朗日点的卫星更像是碗里的球：即使受到干扰，它们也会回到拉格朗日点。

拉格朗日点是卫星和地球围绕太阳旋转时相对于地球保持静止的特殊位置。 L1 和 L2 分别位于地球的昼侧和黑夜侧上方。L3在太阳的另一边，与地球相对。L4和L5在同一轨道上与地球前后60°。（罗伯特·西蒙（Robert Simmon）的NASA插图。

离地球最近的拉格朗日点大约是从地球到月球距离的5倍。L1位于太阳和地球之间，总是看到地球的日光面。L2与太阳相对，总是在夜晚。（罗伯特·西蒙（Robert Simmon）的NASA插图。
第一个拉格朗日点位于地球和太阳之间，使卫星在这一点上可以持续观察太阳。太阳和日光层天文台（SOHO）是美国宇航局和欧洲航天局负责监测太阳的卫星，它绕距离地球约150万公里的第一个拉格朗日点运行。
第二个拉格朗日点与地球的距离大致相同，但位于地球后面。地球总是在第二个拉格朗日点和太阳之间。由于太阳和地球在一条线上，这个位置的卫星只需要一个隔热罩来阻挡来自太阳和地球的热量和光线。它是太空望远镜的好位置，包括未来的詹姆斯韦伯太空望远镜（哈勃的继任者，计划于2014年发射）和目前的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），用于通过绘制背景微波辐射来研究宇宙的性质。
第三个拉格朗日点与太阳另一侧的地球相对，因此太阳总是在它和地球之间。处于这个位置的卫星将无法与地球通信。极其稳定的第四和第五个拉格朗日点位于地球围绕太阳的轨道路径上，前后60度。双太阳地球关系天文台（STEREO）航天器将在第四和第五个拉格朗日点轨道运行，以提供太阳的三维视图。

双太阳地球关系天文台（STEREO）航天器于2009年7月5日在前往L4和L5的途中拍摄了太阳黑子1024的这些图像。从地球轨道后方（左）和前方（右）60度的太阳视角揭示了太阳表面的部分，否则这些部分将被隐藏在视野之外。（NASA图片由STEREO科学中心提供。
中轨卫星

离地球更近，中地球轨道上的卫星移动得更快。两个中地球轨道值得注意：半同步轨道和莫尔尼亚轨道。
半同步轨道是距离地心26，560公里（地表以上约20，200公里）的近圆形轨道（低偏心率）。这个高度的卫星需要12个小时才能完成一个轨道。当卫星移动时，地球在其下方旋转。在24小时内，卫星每天穿过赤道上的相同两个点。这个轨道是一致的，高度可预测的。它是全球定位系统（GPS）卫星使用的轨道。
第二个常见的中地球轨道是莫尔尼亚轨道。由俄罗斯人发明的Molniya轨道非常适合观测高纬度地区。地球静止轨道因其提供的恒定视图而很有价值，但地球静止轨道上的卫星停在赤道上空，因此它们不适用于遥远的北部或南部位置，这些位置始终处于地球静止卫星的视野边缘。莫尔尼亚轨道提供了一个有用的选择。

Molniya轨道结合了高倾角（63.4°）和高偏心率（0.722），以最大限度地延长高纬度地区的观察时间。每个轨道持续12小时，因此轨道的缓慢，高空部分每天和黑夜在同一位置重复。俄罗斯通信卫星和天狼星无线电卫星目前使用这种类型的轨道。（改编自Vincent L. Pisacane的Fundamentals of Space Systems，2005年。
Molniya轨道非常偏心：卫星以极端椭圆移动，地球靠近一个边缘。因为它被我们星球的引力加速，所以当它靠近地球时，卫星移动得非常快。当它远离时，它的速度会减慢，因此它会在离地球最远的轨道顶部花费更多的时间。一颗处于Molniya轨道上的卫星需要12个小时才能完成其轨道，但它在一个半球上花费了大约三分之二的时间。像半同步轨道一样，Molniya轨道上的卫星每24小时经过相同的路径。这种类型的轨道对于远北或南方的通信很有用。
低轨卫星

大多数科学卫星和许多气象卫星都处于近圆形的低地球轨道上。卫星的倾角取决于发射卫星进行监测的内容。发射了热带降雨测量任务（TRMM）卫星，以监测热带地区的降雨量。因此，它的倾角相对较低（35度），停留在赤道附近。

TRMM的低轨道倾角 - 距离赤道仅35° - 使其仪器能够集中在热带地区。此图像显示了 TRMM 在一天内进行的一半观测。（NASA图片由TRMM项目提供。
美国宇航局地球观测系统中的许多卫星都有近极轨道。在这个高度倾斜的轨道上，卫星绕地球从一极移动到另一极，大约需要99分钟才能完成一个轨道。在轨道的一半内，卫星可以看到地球的白天一侧。在极点，卫星越过地球的夜间一侧。
当卫星绕轨道运行时，地球在下面转动。当卫星回到白天时，它已经越过了与其最后一个轨道上看到的区域相邻的区域。在24小时内，极地轨道卫星将两次观察地球的大部分地区：一次在白天，一次在黑暗中。
正如地球同步卫星在赤道上空有一个最佳点，可以让它们停留在地球上的一个点上一样，极轨道卫星有一个甜蜜点，可以让它们停留在一次时间上。这个轨道是太阳同步轨道，这意味着无论何时何地，卫星越过赤道，地面上的当地太阳时总是相同的。例如，对于Terra卫星，当卫星穿越巴西赤道时，总是在早上10：30左右。当卫星在大约99分钟后绕地球进行下一次立交桥时，它会在当地时间10：30左右越过厄瓜多尔或哥伦比亚的赤道。

太阳同步轨道每天（和黑夜）在大约相同的当地时间穿过赤道。该轨道允许一致的科学观测，太阳和地球表面之间的角度保持相对恒定。这些插图显示了一颗太阳同步卫星的 3 个连续轨道，赤道穿越时间为下午 1：30。卫星最近的轨道由深红色线表示，而较旧的轨道则为浅红色。查看动画。（罗伯特·西蒙（Robert Simmon）的NASA插图。
太阳同步轨道对于科学来说是必要的，因为它使地球表面的阳光角度尽可能保持一致，尽管角度会随着季节而变化。这种一致性意味着科学家可以比较几年内同一季节的图像，而不必太担心阴影和照明的极端变化，这可能会产生变化的错觉。如果没有太阳同步轨道，将很难跟踪随时间的变化。不可能收集研究气候变化所需的那种一致的信息。
卫星必须经过才能保持在太阳同步轨道上的路径非常狭窄。如果一颗卫星的高度为100公里，它的轨道倾角必须为96度，以保持太阳同步轨道。高度或倾角的任何偏差都会使卫星脱离太阳同步轨道。由于大气的阻力和来自太阳和月球的引力拉扯会改变卫星的轨道，因此需要定期调整才能将卫星保持在太阳同步轨道上。
实现和维持轨道

发射

将卫星送入轨道所需的能量取决于发射场的位置以及轨道的高度和倾斜度。高地球轨道上的卫星到达目的地所需的能量最多。高度倾斜轨道（例如极地轨道）中的卫星比在赤道上绕地球运行的卫星消耗更多的能量。低倾角的卫星可以利用地球的自转来帮助将其送入轨道。国际空间站的轨道倾角为51.6397度，使航天飞机和俄罗斯火箭更容易到达它。另一方面，极轨道卫星无法从地球的动量中获得帮助，因此需要更多的能量才能到达相同的高度。

低倾角轨道上的卫星可以通过在赤道附近发射从地球自转中获得能量提升。欧洲航天局从法属圭亚那的设施将卫星发射到地球静止轨道（左）。另一方面，高倾角卫星不会从赤道发射场获得太多好处。位于北纬49°的拜科努尔航天发射场（右）经常被用来将卫星发射到极地和莫尔尼亚轨道，以及向国际空间站运送宇航员和物资。[照片©2008 ESA/CNES/ARIANESPACE/Activité Photo Optique Video CSG（左）和NASA提供（右）。
维持轨道

一旦卫星进入轨道，通常需要一些工作才能将其保持在轨道上。由于地球不是一个完美的球体，因此与其他地方相比，它在某些地方的引力更强。这种不均匀性，以及来自太阳、月亮和木星（太阳系最大质量的行星）的拉力，将改变卫星轨道的倾角。在其整个生命周期中，GOES卫星必须移动三到四次才能保持原位。美国宇航局的低地球轨道卫星每隔一两年调整一次倾角，以保持太阳同步轨道。
低地球轨道上的卫星也被大气层的阻力拉出轨道。尽管低地球轨道上的卫星穿过大气层最上层（最薄）层，但空气阻力仍然足够强大，足以拉扯它们，使它们更接近地球。然后地球的引力导致卫星加速。随着时间的推移，卫星最终会燃烧殆尽，因为它会以更低的速度进入大气层，或者它会坠落到地球上。
当太阳活跃时，大气阻力更强。就像气球中的空气在加热时膨胀和上升一样，当太阳向大气层添加额外的能量时，大气层也会上升和膨胀。最薄的大气层上升，其下方较厚的大气层抬起取而代之。现在，卫星正在穿过这个较厚的大气层，而不是太阳不太活跃时的薄层。由于卫星在太阳最大值时穿过密度更大的空气，它面临着更多的阻力。当太阳安静时，低地球轨道上的卫星每年必须将其轨道提升约四次，以弥补大气阻力。当太阳活动最大时，可能每2-3周操纵一次卫星。
移动卫星的第三个原因是避免可能在其路径上的太空垃圾，轨道碎片。2月11日，美国铱星公司拥有的一颗通信卫星与一颗无法运行的俄罗斯卫星相撞。两颗卫星都破裂了，形成了一个包含至少2，500块碎片的碎片场。每块碎片都被添加到目前地球轨道上的18，000多个人造物体的数据库中，并由美国空间监视网络跟踪。
美国宇航局的卫星任务控制员仔细跟踪任何可能进入其卫星路径的东西。截至2009年5月，地球观测卫星已分别移动三次，以避免轨道碎片。

数以千计的人造物体——其中95%是“太空垃圾”——占据了低地球轨道。此图像中的每个黑点表示一颗正在运行的卫星、一颗不活跃的卫星或一块碎片。虽然地球附近的空间看起来很拥挤，但每个点都比它所代表的卫星或碎片大得多，碰撞极为罕见。（NASA插图由轨道碎片计划办公室提供。

轨道物体集中在低地球轨道（在此图中几乎遮挡了地球表面）和地球静止轨道（由沿外边缘的卫星环显示）。（NASA插图由轨道碎片计划办公室提供。
铱星碰撞产生的碎片场是地球观测系统特别关注的问题，因为碎片场的中心最终将漂移穿过EOS卫星的轨道。铱星和俄罗斯卫星在地球上空790公里处，而EOS卫星的轨道距离为705公里。这次碰撞产生的许多碎片被推进到较低的高度，并且已经在705公里处造成了问题。
任务控制工程师跟踪可能进入地球观测系统轨道的轨道碎片和其他轨道卫星，并根据需要仔细计划避让机动。同一团队还计划并执行机动以调整卫星的倾斜度和高度。该团队评估了这些计划的演习，以确保它们不会使EOS卫星靠近编目的轨道碎片或其他卫星。要在一次这样的演习中窥视任务控制中心的一天，请参阅相关文章Flying Steady：Mission Control Tunes Up Aqua's Orbit。