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人造卫星轨道为何各异

发布时间:2020-07-13 18:54:36 阅读: 来源:球磨机厂家

由探测—1、2组成的中国地球空间双星探测星座示意图。

再过两天,就是我国第一颗人造地球卫星上天45周年纪念日。

人造地球卫星的轨道虽然不外乎圆形和椭圆形两种,但方向和形态却是千差万别。卫星的轨道形状与人造地球卫星入轨时的速度和方向有关,究竟采用哪种形状的轨道,则是由人造地球卫星的功能和用途决定的。

运行轨道形状与航天器速度有关

人造地球卫星轨道是人造地球卫星绕地球运行的轨道。它呈一条封闭的曲线。这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面,轨道平面总是通过地心的。

要回答人造地球卫星的轨道形状问题,首先应该了解三个宇宙速度的基本概念。众所周知,航天器(包括人造地球卫星、载人航天器、空间探测器)要离开地面进入太空需达到一定速度,才能克服地球的引力而不落到地面。理论和实践都已证明,在航天器的飞行速度达到7.9千米/秒时,它可以环绕地球运转,这个速度叫环绕速度,也叫第一宇宙速度;当航天器的飞行速度达到11.2千米/秒时,它就可以脱离地球轨道,成为围绕太阳运行的人造行星,或者飞向太阳系的其他星球上去。这个速度叫逃逸速度,也叫第二宇宙速度;如果航天器的飞行速度达16.6千米/秒,它就可以脱离太阳系,到其他恒星世界去,这个速度就叫第三宇宙速度。

航天器与发射它的运载火箭分离后入轨点的轨道速度叫入轨速度。入轨点的位置确定后,入轨速度的大小和方向就决定了人造地球卫星的轨道形状。如果航天器入轨速度在环绕速度和逃逸速度之间时,轨道为椭圆;当航天器入轨速度等于环绕速度而且是水平方向时,轨道为圆形;当入轨速度等于逃逸速度时,轨道为抛物线形;当入轨速度大于逃逸速度时,轨道为双曲线形。另外,入轨速度大小相同而方向不同时,航天器的轨道形状也会有很大差异。

人造地球卫星轨道的高低与用途

人造地球卫星的轨道还有高低之分:距地面200~2000千米的轨道叫低轨道,距地面2000~20000千米的轨道叫中轨道,距地面20000千米以上的轨道叫高轨道,为了完成预定任务,不同的卫星在轨道形状、高低等方面有明显差异。

卫星轨道高度的选择与许多因素有关。比如,其近地点高度与运载火箭能力的大小有关,近地点高度也影响卫星的运行寿命。我国第一颗人造地球卫星东方红1号卫星运行在近地点439千米、远地点2384千米、倾角68.5°、运行周期114分钟的近地椭圆轨道上,由于其近地点高度较高,因此东方红1号卫星目前仍在轨道上。2009年2月的观测表明,东方红1号当时运行在近地点430千米、远地点2075千米的轨道上。

资源卫星的轨道较低,一般运行于700~900千米高的圆形太阳同步轨道,目的是提高对地观测的分辨率,其分辨率可达0.25米。但它所能扫描的观测带不如极轨气象卫星那么宽,对全球观测一遍时间较长,一般10~30天观测全球一遍。

采用圆形轨道有同地球表面保持等距离的优点,所以用于观察地球、通信广播、导航定位和大地测量的卫星常采用这种轨道;但也有一些卫星采用椭圆轨道,例如,俄罗斯的“闪电”通信卫星运行在大椭圆轨道,这是因为俄罗斯国土纬度较高,如果使用地球静止轨道卫星不能覆盖高纬度地区,而“闪电”通信卫星轨道的远地点高度为40000千米,近地点在470千米,倾角63°,即远地点在北半球上空。这样卫星可缓慢经过俄罗斯境内,与地面控制站失去联系的时间很短。不过,为了保证提供俄罗斯境内不间断通信,需要多颗“闪电”卫星协作。另外,如果是为了科学研究,使探测范围更大些,可以选择扁的轨道。

几种常用的人造地球卫星轨道

按飞行方向分,人造地球卫星轨道可分为顺行轨道(与地球自转方向相同)、逆行轨道(与地球自转方向相反)、赤道轨道(在赤道上空绕地球飞行)和极轨道(经过地球南北极上空)等。人造地球卫星还有以下几种特殊轨道。

人造地球卫星在顺行轨道上绕地球运行时,其运行周期(绕地球一圈的时间)与地球的自转周期相同的轨道叫地球同步轨道。

如果运行在地球同步轨道的卫星正好在地球赤道上空离地面35786千米的轨道上绕地球运行,由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同,所以从地面上看去它好像是静止的,这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道。地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例,它只有一条。大多数通信卫星都采用这种轨道,以便地面与卫星能连续通信。

还有一种特殊轨道叫太阳同步轨道。气象卫星、资源卫星等对地观测卫星都采用这种轨道,其优点是不仅可以使卫星能俯瞰包括地球两极地区在内的整个地球表面,而且在卫星每次经过特定地区时,其光照条件基本不变,从而有利于获取高质量地面目标的图像。

卫星升空多久才算进入最终轨道

因为不同种类的人造地球卫星运行在不同的轨道上,所以它们在升空后进入最终的工作轨道所花的时间有很大差异,有的能马上进入最终的工作轨道,有的则需要几十天甚至几个月。这是为什么呢?

由于种种原因,用运载火箭发射人造地球卫星时,其入轨点的速度和方向会与预定的轨道稍有偏差,因而常常不能一下把卫星送入预定的轨道。例如,运行在距地面250千米高的卫星,如果速度大小有千分之一的误差,或方向角有半度误差,都会使卫星的轨道高度偏离50千米。因此,卫星上天后需要变轨,对轨道进行修正,才能进入预定轨道。

如果不在地球赤道上的地点发射地球静止轨道卫星,那么由于卫星最初进入的轨道平面是通过发射地点和地心的,因此就会使轨道平面和地球赤道之间形成一个夹角。要让轨道面和地球赤道面重合,就需要改变卫星轨道平面的倾角。(东方星)

人造地球卫星轨道资源够用吗

目前,除了地球静止轨道外,其他地球轨道的资源很丰富,所以低轨道、中轨道等轨道资源基本不用管理,是放开使用,但各种轨道卫星的频率资源还是需要管理和协调的。

由于地球静止轨道全球只有一条,而且十分有用,所以必须管理该轨道的资源使用。为了避免在该轨道上运行的卫星的收发信号相互干扰,卫星与卫星之间一般要相隔2°,在卫星采取一些先进的防干扰隔离措施后,卫星之间的距离可减少到1°。现在,地球静止轨道上的卫星日益拥挤,已经星满为患,大约有300颗左右。

地球静止轨道资源由国际电联负责管理,世界上每个国家都可以预订。原来,预订地球静止卫星轨道位置不收费,结果使某些国家的个别公司钻了空子。这些公司既不研制卫星,也不发射卫星,但早早向国际电联提出申请,预订了多个地球静止轨道位置。然后在国际市场上转让出售,从中渔利。这些就是所谓的“纸面卫星”。后来,国际电联对预订地球静止卫星轨道位置采取了收费措施,才逐渐抑制了“纸面卫星”现象。

尽管如此,地球静止卫星轨道的资源仍十分紧张,为此,航天大国一直在积极想办法。例如,开发性能更高的地球静止轨道卫星,让它“一个顶俩或顶仨”;研制更先进的防干扰隔离技术,以增加地球静止轨道卫星的密度;研制低轨道通信卫星。不过,低轨道卫星信号覆盖地面面积小,为了覆盖全球,需要用多颗卫星组成星座才能进行全球通信。例如,美国“铱”星低轨道移动通信星座有66颗卫星,分布在6条高度为780千米的轨道上。它可为移动用户在任何时间、任何地点提供全球通信服务,十分方便,通信质量也好,其缺陷是建造成本和运营成本较高,所以难以为大众服务,目前以军用为主。

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