【航天科普】卫星轨道倾角的特点、分类与应用

zhangzijun

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近期，包含中国在内的各国航天机构密集发射海洋、气象、通信等各类人造卫星，2022年8月，全球共进行18次航天发射活动，成功向太空送入300个航天器，其中297个运行在近地轨道(含1个月球轨道器、5组251颗“星链"卫星、1个可重复使用试验航天器、1颗秘密卫星，其中133个运行在太阳同步轨道)、1个运行在地球静止轨道、1个运行在绕月轨道、1个运行轨道未知。

什么是卫星轨道？

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卫星轨道，即人造地球卫星在空间环绕地球运行的路径。轨道在一个平面内，形状像一个椭圆，在远地点的延伸最大，在近地点的延伸最小。根据物理定律，随着与地球距离的增加，卫星在轨道上的移动速度会变慢。

卫星轨道的六个轨道要素（根数），包含确定轨道位置的倾角（i）、升交点赤经（Ω）、近地点幅角（w），决定轨道形状的偏心率（e）、半长轴长度（a）和过近地点时刻（τ），根据此六要素，即可获知任何时刻卫星在空间的位置。

卫星轨道倾角

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在卫星轨道的要素中，卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角叫轨道倾角，具体计算是在卫星轨道升段时由赤道平面反时针旋转到轨道平面的夹角。它是确定卫星轨道空间位置的一个重要参数。根据卫星运行轨迹的倾角大小，可区分出几种常见的卫星轨道。

地球静止轨道 ✦

倾角0度



地球静止轨道，是倾角为0度的圆形地球同步轨道，地球静止轨道与地球同步轨道属于同一类别，这一特殊的品质使其在地球同步轨道上独树一帜。地球静止轨道平面与地球赤道平面重合，卫星始终在赤道上空飞行。

地球静止轨道距地面高度为35786千米，卫星运动速度为3.07千米/秒。一颗卫星可覆盖约40%的地球面积。气象卫星、通信卫星和广播卫星常采用这种轨道。另外我国的北斗卫星导航系统部分卫星也是使用该轨道。

地球同步轨道 ✦

倾角0-90度



地球同步轨道，即运行周期等于地球自转周期的顺行人造地球卫星轨道，无论以何种角度倾斜，地球同步轨道都会与地球自转同步。由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，对地面观测者而言，它似乎是静止的。

我国于2010年8月1日凌晨5时30分发射的北斗卫星导航系统第五颗卫星采用的就是地球同步轨道。

极地轨道 ✦

倾角90度



极地轨道倾角为90度，轨道平面与地球赤道平面垂直，飞越南北两极上空，在这种轨道上运行的卫星，每一圈内都可以经过任何纬度和南北两极的上空，大约需要一个半小时才能完全旋转。随着卫星进入轨道，地球在其下方旋转。

极地卫星可以在24小时的时间内观测整个地球表面，是观测整个地球的最合适的轨道。气象卫星、资源卫星、侦查卫星经常采用这种轨道，近地卫星导航系统（如美国海军导航卫星系统）为提供全球的导航服务采用极地轨道，还有一些研究极区物理的科学卫星也采用极轨道。

太阳同步轨道 ✦

倾角98度



太阳同步轨道是较为特殊的一种轨道，是地球非圆球形状和地球质量分布不均匀造成的自然设定引起。太阳同步轨道是轨道面转动角速度与地球公转的平均角速度一致时的轨道，卫星轨道与太阳相对位置保持不变，卫星经过的地区的太阳光角相同，卫星每次以几乎相同的地方时通过地球上某一地点，地球围绕太阳公转一年，为使轨道平面保持固定的角度，卫星每年必须旋转或进动360度，即轨道平面每天旋转0. 9856度。

典型的太阳同步轨道大约在600-800公里高度，周期在96-100分钟范围，根据不同的偏心率，倾角大约在98°附近，以满足任务需要。选择太阳同步轨道，能保证卫星每天在特定的时刻经过指定地区，即以相同方向经过同一纬度时的当地时间（地方平太阳时）相同，这就是气象卫星、资源卫星通常选择太阳同步轨道的原因。

半同步轨道 ✦

倾角0-180度



该轨道的轨道周期等于被环绕中心天体自转周期的一半，且在轨运行航天器的运动方向和中心天体自转方向一致。对于地球来说，半同步轨道为中高度地球轨道，其周期大约为12小时（因地球自转周期为23h56min4s，故地球的半同步轨道周期实际上比12小时略短），轨道高度（圆形轨道）约为20200km。这使它们处于三类轨道之外的中等地球轨道范围内。这些轨道的离心率接近于零，这意味着它们接近圆形。偏心轨道定义了伸展的轨道。偏心距越接近零，轨道越接近圆。

半同步轨道是典型的GPS卫星轨道。

逆行轨道 ✦

倾角90-180度



倾角大于90度而小于180度，卫星的运行方向和地球自转的方向相反，称为逆行轨道。要把卫星送入这种轨道运行，运载火箭需要朝西南方向发射，不仅无法利用地球自转的部分速度，而且还要付出额外能量克服地球自转。因此，除了太阳同步轨道外，一般都不利用这类轨道。



如今，随着时代发展，人造卫星的发射数量逐年增加，每颗卫星都有自己的特定轨道，常用的非静止轨道资源也是有限的。为了防止卫星在空间中发生相撞，所以要对卫星轨道进行管理和划分。为此，国际和各国家纷纷出台卫星资源管理法规，并以此为基本依据和准则来协调、分配和使用卫星资源，遵循这些法规，是合理有序管理卫星资源的必要前提。

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