人造地球衛(wèi)星的類型(人造地球衛(wèi)星的分類和用途)

正如劇院中的不同座位提供了不同的表演視角一樣，不同的地球軌道為衛(wèi)星提供了不同的視角，每種視角都有不同的價值。有些似乎盤旋在一個地方，提供地球一側(cè)的恒定視野，而另一些則圍繞地球運行，全天飛越許多不同的地點。

國際空間站和其他軌道衛(wèi)星在地球上空數(shù)百公里處飛行，為我們的星球提供了獨特的視角。（美國宇航局照片S126-E-014918。

地球軌道基本上分為三種類型：高地球軌道、中地球軌道和低地球軌道。許多氣象衛(wèi)星和一些通信衛(wèi)星往往具有高地球軌道，距離地球表面最遠。在中（中）地球軌道運行的衛(wèi)星包括導(dǎo)航衛(wèi)星和旨在監(jiān)測特定區(qū)域的專用衛(wèi)星。大多數(shù)科學(xué)衛(wèi)星，包括美國宇航局的地球觀測系統(tǒng)衛(wèi)星，都具有低地球軌道。

對軌道進行分類的一種方法是按高度。低地球軌道從大氣層頂部開始，而高地球軌道則從到達月球的十分之一處開始。（美國宇航局插圖，羅伯特·西蒙）

軌道高度，或者衛(wèi)星與地球表面之間的距離，決定了衛(wèi)星繞地球運行的速度。地球軌道衛(wèi)星的運動主要受地球引力控制。隨著衛(wèi)星距離地球越來越近，引力越來越強，衛(wèi)星移動得越來越快。例如，美國宇航局的Aqua衛(wèi)星繞地球運行約705公里需要大約99分鐘，而距地球表面約36,000公里的氣象衛(wèi)星需要23小時56分4秒才能完成一周。月球距離地球中心384,403公里，繞地球一周需要28天。

衛(wèi)星的軌道越高，它的移動速度就越慢。某些軌道高度具有特殊屬性，例如地球同步軌道，衛(wèi)星每天僅繞地球運行一次。圖中每個紅色箭頭的長度代表衛(wèi)星一小時內(nèi)行駛的距離。觀看動畫。（美國宇航局插圖由羅伯特·西蒙繪制。

改變衛(wèi)星的高度也會改變其軌道速度。這導(dǎo)致了一個奇怪的悖論。如果衛(wèi)星運營商想要提高衛(wèi)星的軌道速度，他不能簡單地發(fā)射推進器來加速衛(wèi)星。這樣做會升高軌道（增加高度），從而減慢軌道速度。相反，他必須向與衛(wèi)星前進運動相反的方向發(fā)射推進器，這一動作會減慢地面上移動的車輛的速度。這一變化將把衛(wèi)星推入較低的軌道，從而提高其前進速度。

除了高度之外，偏心率和傾角也決定了衛(wèi)星的軌道。偏心率是指軌道的形狀。低偏心率軌道的衛(wèi)星繞地球作緊密圓周運動。偏心軌道是一種橢圓形，衛(wèi)星與地球的距離根據(jù)其在軌道上的位置而變化。

軌道的偏心率(e)表示軌道與完美圓的偏差。圓形軌道的偏心率為0，而高偏心率軌道的偏心率接近（但始終小于）1。偏心軌道中的衛(wèi)星繞橢圓的一個焦點而不是中心移動。（美國宇航局插圖由羅伯特·西蒙繪制。

傾角是軌道相對于地球赤道的角度。直接在赤道上方運行的衛(wèi)星的傾角為零。如果衛(wèi)星從北極（地理上的、非磁性的）繞軌道運行到南極，則其傾角為90度。

軌道傾角是軌道平面與赤道之間的角度。軌道傾角為0，正上方為90，軌道傾角正上方，軌道傾角為180，與地球自轉(zhuǎn)方向相反。（美國宇航局插圖由羅伯特·西蒙繪制。

衛(wèi)星的高度、偏心率和傾角共同決定了衛(wèi)星的路徑及其對地球的視野。

高軌衛(wèi)星

當衛(wèi)星距離地球中心正好42,164公里（距地球表面約36,000公里）時，它進入一種“最佳點”，其軌道與地球自轉(zhuǎn)相匹配。由于衛(wèi)星的軌道速度與地球自轉(zhuǎn)速度相同，因此衛(wèi)星似乎被困在一個經(jīng)度上，盡管它可能會從北向南漂移。這種特殊的高地球軌道稱為地球同步軌道。

位于赤道正上方的圓形地球同步軌道上的衛(wèi)星（偏心率和傾角為零）將具有相對于地面完全不移動的地球靜止軌道。它總是直接位于地球表面的同一位置。

對地靜止軌道對于天氣監(jiān)測很有價值，因為該軌道上的衛(wèi)星可以提供同一表面區(qū)域的持續(xù)視圖。當您登錄您最喜歡的天氣網(wǎng)站并查看家鄉(xiāng)的衛(wèi)星視圖時，您看到的圖像來自地球靜止軌道上的衛(wèi)星。每隔幾分鐘，地球靜止環(huán)境衛(wèi)星（GOES）等地球靜止衛(wèi)星就會發(fā)送有關(guān)云、水蒸氣和風(fēng)的信息，這種近乎持續(xù)的信息流是大多數(shù)天氣監(jiān)測和預(yù)報的基礎(chǔ)。

地球靜止軌道上的衛(wèi)星在赤道正上方隨地球旋轉(zhuǎn)，始終保持在同一地點上方。這個位置允許衛(wèi)星觀察天氣和其他短時間內(nèi)變化的現(xiàn)象。（美國宇航局照片由MaritJentoft-Nilsen和RobertSimmon拍攝。

由于對地靜止衛(wèi)星始終位于一個位置，因此它們也用于通信（電話、電視、廣播）。GOES衛(wèi)星由NASA建造和發(fā)射，由國家海洋和大氣管理局(NOAA)運營，提供搜索和救援信標，用于幫助定位遇險船只和飛機。

最后，許多高地球軌道衛(wèi)星監(jiān)測太陽活動。GOES衛(wèi)星攜帶大量“太空天氣”儀器，用于拍攝太陽圖像并跟蹤周圍空間的磁力和輻射水平。

另一個軌道“最佳位置”位于高地球軌道之外，是拉格朗日點。在拉格朗日點，來自地球的引力抵消了來自太陽的引力。放置在這些點上的任何物體都會受到地球和太陽的同等拉力，并且會與地球一起繞太陽旋轉(zhuǎn)。

在日地系統(tǒng)的五個拉格朗日點中，只有最后兩個（稱為L4和L5）是穩(wěn)定的。其他三個點的衛(wèi)星就像一個平衡在陡峭山頂上的球：任何輕微的擾動都會將衛(wèi)星推出拉格朗日點，就像一個球從山上滾下來一樣。這三個點的衛(wèi)星需要不斷調(diào)整以保持平衡和到位。最后兩顆拉格朗日點衛(wèi)星更像是碗里的球：即使受到干擾，它們也會回到拉格朗日點。

拉格朗日點是一個特殊位置，衛(wèi)星和地球在繞太陽運行時相對于地球保持靜止。L1和L2分別位于地球的白天和黑夜上方。L3位于太陽的另一側(cè)，與地球相對。L4和L5處于同一軌道，且與地球前后各60。（美國宇航局插圖由羅伯特·西蒙繪制。

距離地球最近的拉格朗日點大約是地球到月球距離的五倍。L1位于太陽和地球之間，總是看到地球的日光面。L2位于太陽對面，并且始終處于夜間。（美國宇航局插圖由羅伯特·西蒙繪制。

第一個拉格朗日點位于地球和太陽之間，衛(wèi)星可以從該點連續(xù)觀測太陽。太陽和日光層觀測站（SOHO）是美國宇航局和歐洲航天局的一顆衛(wèi)星，負責(zé)監(jiān)測太陽。它繞距離地球約150萬公里的第一個拉格朗日點運行。

第二個拉格朗日點與地球的距離大致相同，但位于地球后面。地球始終位于第二拉格朗日點和太陽之間。由于太陽和地球在一條直線上，因此這個位置的衛(wèi)星只需要一個隔熱罩來阻擋來自太陽和地球的熱量和光線。這里是太空望遠鏡的好位置，包括未來的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（哈勃的后繼者，計劃于2014年發(fā)射）和當前的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP），該探測器用于通過輻射繪制背景微波以研究自然界宇宙的。

第三個拉格朗日點在太陽的另一側(cè)與地球相對，因此太陽始終位于它和地球之間。處于這個位置的衛(wèi)星將無法與地球通信。極其穩(wěn)定的第四拉格朗日點和第五拉格朗日點位于地球繞太陽軌道向前或向后60度。雙日地關(guān)系觀測站（STEREO）航天器將在第四和第五拉格朗日點運行，以提供太陽的三維視圖。

雙日地關(guān)系觀測站(STEREO)航天器于2009年7月5日在前往L4和L5的途中捕獲了這些太陽黑子1024的圖像。在地球軌道后面（左）和前面（右）60度的太陽視圖中，可以看到原本無法看到的部分太陽表面。（NASA圖片由STEREO科學(xué)中心提供。

中軌衛(wèi)星

距離地球越近，中地球軌道上的衛(wèi)星移動速度越快。有兩個中地球軌道值得注意：半同步軌道和莫尼亞軌道。

半同步軌道是距離地球中心26,560公里（距地表約20,200公里）的近圓形軌道（低偏心率）。處于這個高度的衛(wèi)星需要12小時才能完成一周軌道。當衛(wèi)星移動時，地球在其下方旋轉(zhuǎn)。24小時內(nèi)，衛(wèi)星每天都會經(jīng)過赤道上相同的兩個點。這個軌跡是一致的并且高度可預(yù)測的。它是全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星使用的軌道。

第二個最常見的中地軌道是莫尼亞軌道。俄羅斯人發(fā)明的莫尼亞軌道非常適合觀測高緯度地區(qū)。對地靜止軌道因其提供的恒定視野而有價值，但對地靜止軌道上的衛(wèi)星停泊在赤道上方，因此它們不適合遙遠的北部或南部位置，這些位置始終位于對地靜止衛(wèi)星視場的邊緣。莫尼亞軌道提供了一個有用的替代方案。

Molniya軌道結(jié)合了高傾角(63.4)和高偏心率(0.722)，以最大限度地延長高緯度地區(qū)的觀測時間。每個軌道持續(xù)12小時，因此軌道的緩慢、高空部分每天都會在同一位置重復(fù)。俄羅斯通信衛(wèi)星和天狼星無線電衛(wèi)星目前使用這種類型的軌道。（改編自VincentL.Pisacane的《空間系統(tǒng)基礎(chǔ)》，2005年。

Molniya的軌道非常偏心：衛(wèi)星以極端橢圓形運行，地球靠近其邊緣。由于衛(wèi)星受到地球引力的加速，因此它在接近地球時移動得非常快。當它遠離地球時，它的速度會減慢，因此它會在距離地球最遠的軌道頂部停留更多的時間。Molniya軌道上的一顆衛(wèi)星需要12小時才能完成其軌道，但它大約三分之二的時間都在一個半球上度過。與半同步軌道一樣，Molniya軌道上的衛(wèi)星每24小時經(jīng)過同一路徑。這種類型的軌道對于遙遠的北方或南方的通信很有用。

低軌衛(wèi)星

大多數(shù)科學(xué)衛(wèi)星和許多氣象衛(wèi)星都位于近圓形近地軌道上。衛(wèi)星的傾斜取決于衛(wèi)星發(fā)射的目的是監(jiān)測什么。發(fā)射熱帶降雨測量任務(wù)（TRMM）衛(wèi)星來監(jiān)測熱帶地區(qū)的降雨量。因此，它的傾角相對較低（35度），位于赤道附近。

TRMM的低軌道傾角（距赤道僅35）使其儀器能夠聚焦于熱帶地區(qū)。該圖顯示了TRMM在一天內(nèi)進行的一半觀測。（NASA圖片由TRMM項目提供。

美國宇航局地球觀測系統(tǒng)中的許多衛(wèi)星都有近極軌道。在這個高度傾斜的軌道上，衛(wèi)星繞地球從一極移動到另一極，完成一個軌道大約需要99分鐘。在其軌道的中途，衛(wèi)星可以看到地球的白天。在極點，衛(wèi)星經(jīng)過地球的夜晚一側(cè)。

當衛(wèi)星繞軌道運行時，地球在下面旋轉(zhuǎn)。當衛(wèi)星回到白天時，它已經(jīng)經(jīng)過了與它最后一次在軌道上看到的區(qū)域相鄰的區(qū)域。在24小時內(nèi)，極軌衛(wèi)星將觀測地球大部分地區(qū)兩次：一次在白天，一次在黑暗期間。

正如地球靜止衛(wèi)星在赤道上方有一個最佳位置，可以讓它們停留在地球上的某一點，極軌衛(wèi)星也有一個最佳位置，可以讓它們停留在時間上的一個點。該軌道是太陽同步的，這意味著無論何時何地衛(wèi)星穿過赤道，地面上的當?shù)靥枙r總是相同的。例如，對于Terra衛(wèi)星來說，當衛(wèi)星穿過巴西赤道時，總是在上午10點30分左右。當這顆衛(wèi)星在大約99分鐘內(nèi)進行下一次繞地球飛行時，它將在當?shù)貢r間10:30左右穿過厄瓜多爾或哥倫比亞的赤道。

太陽同步軌道每天（和晚上）大約在當?shù)貢r間的同一時間穿過赤道。該軌道允許進行一致的科學(xué)觀測，太陽和地球表面之間的角度保持相對恒定。這些插圖顯示了太陽同步衛(wèi)星的3個連續(xù)軌道，穿越赤道的時間為下午1:30。衛(wèi)星最近的軌道由深紅線表示，而較舊的軌道則由淺紅色表示。觀看動畫。（美國宇航局插圖由羅伯特·西蒙繪制。

太陽同步軌道對于科學(xué)來說是必要的，因為它可以使地球表面的陽光角度盡可能保持一致，即使角度隨季節(jié)變化。這種一致性意味著科學(xué)家可以比較幾年來同一季節(jié)的圖像，而不必過多擔(dān)心陰影和光照的極端變化，這可能會造成變化的錯覺。如果沒有太陽同步軌道，就很難跟蹤隨時間的變化。收集研究氣候變化所需的一致信息是不可能的。

衛(wèi)星必須穿過一條非常狹窄的路徑才能停留在太陽同步軌道上。如果衛(wèi)星的高度為100公里，其軌道傾角必須為96度才能保持太陽同步軌道。高度或傾斜度的任何偏差都可能導(dǎo)致衛(wèi)星脫離其太陽同步軌道。由于大氣阻力以及來自太陽和月球的引力會改變衛(wèi)星的軌道，因此需要定期調(diào)整以使衛(wèi)星保持在太陽同步軌道上。

實現(xiàn)和維持軌道

發(fā)射

將衛(wèi)星送入軌道所需的能量取決于發(fā)射場的位置以及軌道的高度和傾角。高地球軌道上的衛(wèi)星需要最多的能量才能到達目的地。處于高度傾斜軌道（例如極軌道）的衛(wèi)星比繞地球赤道運行的衛(wèi)星消耗更多的能量。低傾角衛(wèi)星可以利用地球自轉(zhuǎn)的優(yōu)勢幫助將其發(fā)射入軌道。國際空間站的軌道傾斜角為51.6397度，使航天飛機和俄羅斯火箭更容易到達它。另一方面，極軌衛(wèi)星沒有得到地球動量的幫助，因此需要更多的能量才能到達相同的高度。

低傾角軌道上的衛(wèi)星可以通過在赤道附近發(fā)射來從地球自轉(zhuǎn)中獲得動力。歐洲航天局從法屬圭亞那的設(shè)施（左）將一顆衛(wèi)星發(fā)射到地球靜止軌道。另一方面，高傾角衛(wèi)星并不能從赤道發(fā)射場中受益匪淺。拜科努爾航天發(fā)射場（右）位于北緯49，經(jīng)常用于向極地軌道和摩尼亞軌道發(fā)射衛(wèi)星，以及向國際空間站運送宇航員和物資。[照片2008

ESA/CNES/ARIANESPACE/ActivitPhotoOptiqueVideoCSG（左）由NASA提供（右）。維持軌道

一旦衛(wèi)星進入軌道，通常需要做一些工作才能將其保持在軌道上。由于地球不是一個完美的球體，它的引力在某些地方比其他地方更強。這種不均勻性，加上太陽、月球和木星（太陽系最大的行星）的引力，將改變衛(wèi)星軌道的傾角。在其生命周期中，GOES衛(wèi)星必須移動三到四次才能保持在原位。美國宇航局的近地軌道衛(wèi)星每隔一兩年調(diào)整一次傾角，以保持太陽同步軌道。

近地軌道上的衛(wèi)星也會因大氣阻力而脫離軌道。即使近地軌道上的衛(wèi)星穿過大氣層的最上層（最薄層），空氣阻力仍然足夠強大，足以將它們拉近地球。然后地球引力導(dǎo)致衛(wèi)星加速。隨著時間的推移，衛(wèi)星最終會以較低的速度進入大氣層時燃燒殆盡，或者墜落到地球上。

當太陽活躍時，大氣阻力更強。就像氣球中的空氣在受熱時膨脹并上升一樣，當太陽為其提供額外的能量時，大氣也會上升并膨脹。最薄的大氣層上升，其下方較厚的大氣層升起并取代它?，F(xiàn)在，衛(wèi)星正在穿過這個較厚的大氣層，而不是太陽不太活躍時的薄層。由于衛(wèi)星在太陽活動最強時穿過密度更大的空氣，因此它面臨更大的阻力。當太陽安靜時，近地軌道上的衛(wèi)星每年必須提高軌道約四次，以補償大氣阻力。當太陽活動最活躍時，可以每2-3周操縱衛(wèi)星一次。

移動衛(wèi)星的第三個原因是為了避開可能在其路徑上的空間碎片、軌道碎片。2月11日，美國銥星公司擁有的一顆通信衛(wèi)星與一顆無法運行的俄羅斯衛(wèi)星相撞。兩顆衛(wèi)星均解體，形成一個包含至少2,500塊碎片的碎片場。每塊碎片都被添加到一個數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫包含目前在地球軌道上的18,000多個人造物體，并由美國太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)進行跟蹤。

美國宇航局衛(wèi)星任務(wù)控制器仔細跟蹤任何可能進入其衛(wèi)星路徑的物體。截至2009年5月，地球觀測衛(wèi)星已經(jīng)移動了三次，以避免軌道碎片。

數(shù)以千計的人造物體——，其中95%是“太空垃圾”——，占據(jù)近地軌道。該圖像中的每個黑點代表一顆正在運行的衛(wèi)星、一顆不活動的衛(wèi)星或一塊碎片。盡管地球附近的空間看起來很擁擠，但每個點都比它所代表的衛(wèi)星或碎片大得多，而且碰撞極為罕見。（美國宇航局插圖由軌道碎片計劃辦公室提供。

軌道物體集中在近地軌道（在該圖像中幾乎遮蓋了地球表面）和對地靜止軌道（沿外緣的衛(wèi)星環(huán)所示）。（美國宇航局插圖由軌道碎片計劃辦公室提供。

銥星碰撞產(chǎn)生的碎片場特別受到地球觀測系統(tǒng)的關(guān)注，因為碎片場的中心最終將漂移穿過EOS衛(wèi)星的軌道。銥星和俄羅斯衛(wèi)星距離地球790公里，而EOS衛(wèi)星的軌道距離地球705公里。這次碰撞產(chǎn)生的大部分碎片被推到了較低的高度，并且已經(jīng)在705公里處造成了問題。

任務(wù)控制工程師跟蹤可能進入地球觀測系統(tǒng)軌道的軌道碎片和其他軌道衛(wèi)星，并根據(jù)需要仔細計劃規(guī)避機動。該團隊還計劃并執(zhí)行了調(diào)整衛(wèi)星傾角和高度的演習(xí)。該團隊評估了這些計劃中的演習(xí)，以確保它們不會使EOS衛(wèi)星靠近已編目的軌道碎片或其他衛(wèi)星。要了解任務(wù)控制中心在此類演習(xí)中的一天生活，請參閱相關(guān)文章“穩(wěn)定飛行：任務(wù)控制中心調(diào)整Aquas軌道”。