地球同步軌道

地球同步軌道

衛星的軌道周期等于地球在慣性空間中的自轉周期(23小時56分4秒),且方向亦與之一致,衛星在每天同一時間的星下點軌跡相同,當軌道與赤道平面重合時叫做地球靜止軌道,即衛星與地面的位置相對保持不變。

  • 中文名稱
    地球同步軌道
  • 外文名稱
    geosynchronousorbit
  • 別稱
    24小時軌道
  • 軌道周期
    23小時56分4秒
  • 軌道偏心率
    42,164 km

基本資料

地球同步軌道(geosynchronous orbit)

傾角為零的圓形地球同步軌道稱為地球靜止軌道,因為在這樣的軌道上運行的衛星將始終位于赤道某地的上空,相對于地球表面是靜止的。這種軌道衛星的地面高度約為 3.6萬千米。它的覆蓋範圍很廣,利用均布在地球赤道上的 3顆這樣的衛星就可以實現除南北極很小一部分地區外的全球通信。

要實現地球靜止軌道,得滿足下列條件:●衛星運行方向與地球自轉方向相同;

地球同步軌道

●軌道傾角為0°;

●軌道偏心率為0,即軌道是圓形的;

●軌道周期等于等于地球自轉周期。靜止衛星的高度為35786公裏。

要將同步衛星發射到同步軌道上,卻是相當困難和復雜的。因為受火箭運載能力的限製和發射場一般不處于赤道上的影響,多數的運載火箭不能將衛星直接送到同步軌道上,必須分為三個階段才能入軌。第一步,運載火箭將衛星送到距地面200---300千米的停泊軌道;

地球同步軌道

第二步,以停泊軌道的環繞速度將衛星加速送到轉移軌道與同步軌道相切處,即轉移軌道的遠地點;

第三步,在遠地點上點燃發動機,使衛星進入地球同步軌道,並用衛星上的小發動機調整衛星的姿態,使衛星完全進入同步軌道。

我國的同步衛星技術已處于世界領先位置。1990年,我國"長征"3號火箭首次發射美國休斯公司的"亞洲"1號通信衛星,使衛星的入軌精度居該公司自己生產、發射的32顆同步衛星之首,因而震驚了世界。

1992年、1994年,我國的"長征"2號E捆綁式火箭再次發射了該公司的"澳星B1"、"澳星B2"通信衛星,所有入軌參數的精度比契約規定值高出了幾倍甚至幾十倍!

運行情況

地球同步衛星即地球同步軌道衛星,又稱對地靜止衛星,是運行在地球同步軌道上的人造衛星。所謂同步軌道衛星,是指:衛星距離地球的高度約為36000km,衛星的運行方向與地球自轉方向相同、運行軌道為位于地球赤道平面上圓形軌道、運行周期與地球自轉一周的時間相等,即23小時56分4秒,衛星在軌道上的繞行速度約為3.1公裏/秒,等于地球自轉的角速度。在地球同步軌道上布設3顆通訊衛星,即可實現除兩極外的全球通訊。

衛星分類

地球同步衛星分為同步軌道靜止衛星、傾斜軌道同步衛星和極地軌道同步衛星。當同步軌道衛星軌道面的傾角為零度,即衛星在地球赤道上空運行時,由于運行方向與地球自轉方向相同,運行周期又與地球同步,因此,人們從地球上仰望衛星,仿佛懸掛在太空靜止不動,所以,把零傾角的同步軌道稱作靜止軌道,在靜止軌道上運行的衛星稱作靜止衛星。

靜止衛星

靜止衛星上的天線所輻射的電波,對地球的覆蓋區域基本是穩定的,在這個覆蓋區內,任何地球站之間可以實現24小時不間斷通信。因此,同步軌道靜止衛星主要用于陸地固定通信,如電話通信、電視節目的轉播等,但也用于海上移動通信,不過,它不象陸上蜂窩移動通信那樣有那麽多的基站,隻有衛星是一座大的基站,移動業務交換中心依然設在岸上(稱為岸站),海上移動終端之間(即船舶與船舶之間)的通信,需經衛星兩跳後才能實現,例如,如果甲船需同乙船聯系,那麽,甲船將信號發至衛星,經衛星一跳到達岸站上的移動業務交換中心,然後,岸站又將信號發至衛星,再經衛星一跳到達乙船。傾斜軌道和極地軌道同步衛星從地球上看是移動的,但卻每天可以經過特定的地區,因此,通常用于科研、氣象或軍事情報的蒐集,以及兩極地區和高緯度地區的通信。

同步衛星

地球同步衛星常用于通訊、氣象、廣播電視、飛彈預警、資料中繼等方面,以實現對同一地區的連續工作。在遙感套用中,除了氣象衛星外,一個突出的套用就是通過地球同步軌道上的4顆跟蹤和資料中繼衛星系統高速率地傳送中低軌道地球觀測衛星或太空梭所獲取的地球資源與環境遙感資料。世界上第一顆地球同步衛星是1964年8月19日美國發射的"辛康"(syncom)3號。中國于1984年4月8日、1986年2月1日和1988年3月7日分別發射3顆用于通信廣播的地球同步衛星。

極軌道

極軌道(polarorbit):傾角為90°的人造地球衛星軌道。又稱極地軌道。在極軌道上運行的衛星,每一圈內都可以經過任何緯度和南北兩極的上空。由于衛星在任何位置上都可以覆蓋一定的區域,因此,為覆蓋南北極,軌道傾角並不需要嚴格的90°,隻需在90°附近就行。在工程上常把傾角在90°左右,但仍能覆蓋全球的軌道也稱為極軌道。近地衛星導航系統(如美國海軍導航衛星系統)為提供全球的導航服務採用極軌道。許多地球資源衛星、氣象衛星以及一些軍事偵察衛星採用太陽同步軌道,它們的傾角與90°隻相差幾度,所以也可以稱其為極軌道。還有一些研究極區物理的科學衛星也採用極軌道。

發射情況

地球同步軌道衛星的發射很困難,技術很復雜。但如果一個國家的衛星發射場建在地球的赤道上,那這種衛星的發射就簡單多了,在赤道上由西向東發射,達到要求的軌道高度,在適當的位置定點,問題就解決了。可惜的是,許多發射衛星的國家不在赤道上,也不可能在赤道上建立衛星發射場。這樣給衛星的發射帶來了許多的困難,要經過幾次的軌道變換才能成功。現在我們結合下面的圖來看看地球靜止軌道衛星是如何發射的。

為了便于說明和理解,首先假設從赤道面發射衛星,如圖l所示。火箭起飛後達到一定的高度時, 一級火箭熄火並自動分離,火箭攜帶衛星爬升一段時間,即圖中的慣性飛行,然後末級火箭點火工作,當達到一定的軌道高度,火箭熄火。接著再看圖2,這時衛星進入一個距離地球很近的軌道,我們稱它為初始軌道。當衛星到達初始軌道的遠地點時,發動機再次點火工作,把衛星加速到一個大橢圓軌道 (轉移軌道)上,這時大橢圓軌道的近地點就是初始軌道的遠地點,而大橢圓軌道的遠地點要正好是36000千米的高度,這時火箭的末級與衛星分離。當衛星再次轉到大橢圓軌道的遠地點時,衛星上的遠地點發動機點火工作,把衛星推入36000千米的圓軌道,這就進入了地球同步軌道。

地球同步軌道 地球同步軌道

我們再看看圖3,由于大多數國家的發射場不在赤道上,所以實際上衛星發射時的軌道面和地球的赤道面總是有一個夾角,即軌道傾角。從圖上可看出,衛星的軌道面和地球的赤道面不重合,因此首要要的任務就是使衛星進入赤道平面,即要改變它的運動方向。因此在衛星的遠地點發動機點火之前,首先要調整衛星的姿態,使發動機的軸線和軌道面成--定的角度。這時,當衛星飛經赤道上空時,恰好遠地點發動機點火工作,給衛星一個沿發動機軸線方向的附加速度,如圖中的v1而衛星在原來軌道上飛行時有一個軌道速度,如圖中的v。;這兩個速度就按照力學的速度合成原理,合成一個新速度。這個新速度的方向是兩個速度組成的平行四邊形的對角線方向,如圖中的v2。這個v2,速度是非常關鍵的,它的速度方向一定要剛好沿著地球的赤道方向,這時衛星才能在赤道上空飛行。此後,衛星還有一個定點的任務,還要經過姿態的調整和精確的姿態修正。這是因為當衛星的遠地點發動機熄火後,產生各種誤差的原因往往使衛星的實際位置與要求的定點位置不一致。衛星定點實際上是衛星的軌道微調。衛星上除了裝有遠地點發動機外,在它的各個特定方向還裝有成對的小發動機,按不同的誤差起動不同的小發動機來進行軌道控製,精確修正軌道,使它慢慢貼近靜止軌道並且停止漂移,這時衛星就完全定點于預定的地點上空了。但即使衛星已經定點很準了,當工作時間一長,由于地球形狀的影響(地球不是正圓)、地磁場的影響,以及太陽甚至月亮的引力都使得衛星的位置發生變化 (軌道攝動),所以時不時的還要進行軌道修正,要隨時控製它的狀態和位置,這種修正我們稱為衛星的軌記保持。

地球同步軌道

從以上的介紹,我們可以看出發射地球同步軌道衛星比發射一軌道衛星要復雜得多,而中國多成功地發射了地球靜止軌道的通信衛星,充分說明中國已經完全掌握了它的發射和定點技術。

兩大對比

人民教育出版社1997年出版的高中《物理》第三冊(選修本)第96面關于通信衛星軌道的敘述中有這樣一段話:"通信衛星的軌道一般都採用'地球靜止軌道',也稱'地球同步軌道'.即衛星轉動的周期與地球自轉的周期相同,相對于地球靜止"。這段話容易讓人理解為:地球同步軌道就是地球靜止軌道.處于同步軌道上的衛星相對于地球是靜止的. 有的復習資料中亦有這樣的練習題:"簡單說明地球同步衛星為什麽隻能在赤道平面內繞地球旋轉."、"地球同步衛星相對于地球上的一點為什麽是靜止的?",這也是將地球同步軌道與地球靜止軌道混為一談.

實際上,地球同步軌道與地球靜止軌道不是一回事,它們之間有共同點也有較大區別.地球同步軌道與地球靜止軌道都是運行周期(23小時56分04秒)相同的人造地球衛星軌道.

這兩種軌道的區別有三:

軌道傾角 地球靜止軌道是軌道傾角(軌道平面和赤道平面的夾角)為零的圓形地球同步軌道.即地球靜止軌道一定在赤道平面上;而地球同步軌道平面可與赤道平面成一不為零的夾角.看到的現象 在地球同步軌道上運行的衛星每天在相同時間經過相同地方的天空,對地面上觀察者來說,每天相同時刻衛星會出現在相同的方向上.在一段連續的時間內,衛星相對于觀察者可以是運動的.而處于地球靜止軌道上運行的衛星每天任何時刻都處于相同地方的上空,地面觀察者看到衛星始終位于某一位置,保持靜止不動.點軌跡 人造地球衛星在地面的投影點(或衛星和地心連線與地面的交點)稱為星下點.衛星運動和地球自轉使星下點在地球表現移動,形成星下點軌跡.地球同步衛星的星下點軌跡是一條8字形的封閉曲線,而地球靜止衛星的星下點軌跡是一個點.

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