为什么大多卫星都位于地球同步轨道?

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按照卫星距离地球表面的距离划分，

卫星轨道分为三类：

低轨LEO：500-1500公里

中轨MEO：5000-13000公里

高轨HEO:＞20000公里

之所以按照这个划分，是因为在地球附近的宇宙空间包围着高能粒子辐射带，被称为范艾伦带。它是一个类似于甜甜圈形的区域，分为内外两层，其中内层的分布范围为1500-5000公里，外层的分布范围为13000-20000公里。



带中的高能带电粒子撞击到飞入其中的航天器，会对其电子设备造成严重危害。因此，为了避免受长期影响，绝大多数卫星都会考虑部署在范艾伦带内外层的间隙空间中，卫星轨道也由此被划分为低轨、中轨和高轨。

其中，低轨卫星由于轨道高度较低，受到大气阻力的作用，卫星轨道会不断下降，需要不断消耗推进剂来保持卫星的轨道高度，因此卫星的寿命普遍较短，大约5-8年。但由于其传输延时短（双向通信约100毫秒）、路径损耗小，特别适合用于话音、互联网等业务通信。近年来随着低轨高通量卫星组网的兴起，不断出现一批全球低轨星座通信系统网络。其中最典型的有铱星、globalstar、starlink、oneweb等，国内也有航天科技的鸿雁、航天科工的虹云等系统在研制中。

中轨卫星所处的轨道高度不再受大气阻力的影响，寿命较低轨卫星长，约8-12年，传输延时（双向通信约200毫秒）和路径损耗适中，全球组网所需的卫星数量仅需数十颗。目前全球唯一成功投入商业运营的中轨卫星通信系统是SES公司旗下的O3b星座。

高轨卫星相对中低轨卫星其受地球引力的影响最小，寿命也相对较长，通常能达到12年以上。其较大的地视区面积和通信覆盖范围，有利于对地观测、信号广播以及空间中继等应用，且仅需若干颗卫星即可完成全球组网。但同时，高轨道导致高传输延时，不利于对时延敏感的业务通信。

地球同步轨道属于高轨道中是最特别的一条，其位于距地球表面为35786公里高度，是一条倾角为0的圆形轨道。处于该轨道的卫星绕地球运动的速度和地球自转的速度接近相同，从地面上看，卫星是相对静止不动的，因此地球同步轨道卫星又被称为静地卫星。理论上，一颗静地卫星可覆盖全球42.2%的表面积，三颗静地卫星即可实现全球除两极外的全覆盖。



卫星位于地球同步轨道的好处有：





1.   轨道高度高，用于轨道维持所需的推进剂可支持卫星长达15年以上的寿命；

2.   卫星寿命周期可持续性的给固定区域提供信号覆盖，无需频繁更换卫星；

3.   地面通信天线易于保持对准卫星，无需复杂的跟踪系统。

那么相对地球静止的结论是如何计算得来的呢？这就要回顾下中学物理所学的开普勒三大定律了。

开普勒第一定律（轨道定律）：卫星以地心为一个焦点做椭圆运动。

开普勒第二定律（面积定律）：卫星与地心的连线在相同时间内扫过的面积相等。

开普勒第三定律（周期定律）：卫星运转周期的平方与轨道半长轴的3次方成正比。

其中，第三定律用公式可表达为：





其中，a为轨道半长轴，即卫星与地心的距离，地球半径6378公里，星地距离35786公里，因此a=42164公里。

µ为开普勒常数，取值为3.986×105 km3/s2。

由此，可计算出卫星运转周期T≈86358秒≈24时=地球自转周期。

由于位于该高度的圆形轨道仅此一条，因此地球同步轨道显得尤为珍贵，世界各国争先抢占。为了有效的管理轨位资源，联合国成立了国际电信联盟，负责卫星轨位和频率资源的分配、登记和协调工作，秉承先申报先使用得规则。由于欧美国家的先发优势，地球同步轨道位置被大量的抢占，目前同步轨道已部署数百颗在轨卫星，轨位资源已接近饱和。



地球同步轨道位置作为国家战略资源，近年来一直受国家管理部门的重视，随着中国卫星业务发展的不断深入，国内法规对加强卫星频率和轨道资源科学规划和合理利用，维护中国卫星频率和轨道资源的合法权益，发挥着越来越重要的作用。

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