太陽同步軌道

太陽同步軌道

太陽同步軌道(Sun-synchronousorbit或Heliosynchronousorbit)指的就是衛星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向,軌道傾角(軌道平面與赤道平面的夾角)接近90度,衛星要在兩極附近通過,因此又稱之為近極地太陽同步衛星軌道。為使軌道平面始終與太陽保持固定的取向,因此軌道平面每天平均向地球公轉方向(自西向東)轉動0.9856度(即360度/年)。

  • 中文名稱
    太陽同步軌道
  • 外文名稱
    Sun-synchronousorbit
  • 別稱
    近極地太陽同步衛星軌道
  • 軌道傾角
    接近90°
  • 範例
    ODIN衛星
  • 遵循定律
    開普勒行星運動三定律

基本概述

太陽同步軌道太陽同步軌道

所謂太陽同步軌道是指衛星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向。由于這種軌道的傾角接近90°,衛星要在極地附近通過,所以又稱它為近極地太陽同步衛星軌道。為保持軌道平面始終與太陽保持固定的取向,在衛星隨地球繞太陽公轉時,軌道平面每天要自西向東作大約1°的轉動。但是若地球是個均勻球體,當地球繞太陽公轉時,軌道平面隨地球作平動,則軌道平面不能保持與太陽有固定的取向。事實上由于地球是個扁橢球體,這種扁橢球體上的各點對衛星的引力不等,使衛星的軌道平面繞地軸朝著與衛星運動相反方向旋轉,即軌道平面的進動。若選定合適的傾角(大于90°)使衛星軌道平面的進動為1°,正好使軌道平面與太陽始終保持固定的取向。這樣就實現了太陽同步軌道。在這種軌道上的衛星以固定的地方時觀測地球大氣,有較固定的光照條件。對獲取可用的資料、資料的接收、軌道的計算等都十分方便。 如果讓衛星軌道平面在空間的轉動與太陽在空間的視運動一致,則衛星軌道稱為太陽同步軌道。衛星稱為太陽同步衛星。這時太陽視線與衛星軌道平面的夾角不變,當衛星每次飛越某地上空時,太陽都是從同一角度照射該地,亦即,衛星每次都在同一當地時間經過該地,這對照相偵察衛星、氣象衛星、資源衛星都很有利,因為每次對某地拍攝的照片都是在同一照度下取得的,通過對比,可以獲得更多的信息。

軌道平面繞地球自轉軸旋轉的方向與地球公轉方向相同、旋轉角速度等于地球公轉的平均角速度(0.9856度/天或360度/年)的人造地球衛星軌道。從太陽同步軌道的半長軸、偏心率和傾角須滿足的數學公式可知,該軌道的傾角大于90°,即為一條逆行軌道。其高不會超過6000千米。太陽光對于這種軌道的軌道面的入射角在一年內的變化最小。此外,在太陽同步軌道上運行的衛星,以相同方向經過同一緯度時的當地時間(地方平太陽時)相同,因此衛星在經過同緯度地區時是有相近的光照條件。大多數利用太陽能電池作為電源或帶有可見光遙感器的長壽命遙感衛星都採用太陽同步軌道。通常還用衛星過降交點時的當地時間作為太陽同步軌道的一個重要參數,稱為降交點地方(平太陽)時。

理論定義

太陽同步軌道太陽同步軌道

太陽同步軌道的理論定義是:軌道平面進動方向與地球公轉方向大致相同,進動角速率等于地球公轉平均角速率(0.9856度/日或360度/年)的人造地球衛星軌道。其實,說簡單一點,就是能保證衛星每天以相同方向經過同一緯度的當地上空的軌道。因為,我們知道,衛星運行的周期是由的處的軌道決定的,因此,這樣的軌道是可以確定的。

選擇太陽同步軌道,能保證衛星每天在特定的時刻經過指定地區,這當然便于我們獲得最好的太陽光條件,從而得到高質量的地面目標圖像,這就是氣象衛星資源衛星通常選擇太陽同步軌道的原因。

茫茫星空,有心人會發現,有些衛星幾乎總是在同一時刻出現的天空中的同一位置,奇怪嗎?其實一點也不奇怪,因為它們處在地球同步軌道上。所謂地球同步軌道,就是沿這個軌道走一圈所需的時間恰好與地球自轉的周期(23小時56分4秒)相同。也許有人會說,那麽如果走得速度快慢不一,那得到的時間不也就不同了嗎。其實,按照天體運行規律,每條軌道上運行的物體的速度是固定的。因此,不用擔心會出現時間上的不一致性。

那麽,地球同步軌道有什麽用呢?構想一下,如果我們想每天監視地球上的同一個地方,我們的衛星該放在哪兒?當然是地球同步軌道。再如象俄羅斯,它處于高軌地區,常用的靜止軌道衛星無法覆蓋,如果想實現衛星通信,地球同步軌道是再好的選擇。事實上,俄羅斯的“閃電”通信衛星也正是這樣選擇運行軌道的

計算公式

太陽同步軌道太陽同步軌道

軌道平面繞地球自轉軸旋轉的方向與地球的公轉方向相同、旋轉角速度等于地球公轉的平均角速度(即0.9856°/d或360°/a)的人造地球衛星軌道。太陽同步軌道的半長軸α、偏心率e和傾角¡這3個軌道要素必須滿足以下關系式:

Cosi=-4.7737×10-15(1-e)2a(7/2)式中a的單位為km。由該式可知,太陽同步軌道的傾角必須大于90°,即它是一條逆行軌道。在圓軌道時,傾角最大為180°,所以太陽同步軌道的高度不會超過6000km。在太陽同步軌道上運行的衛星,從相同的方向經過同一緯度的當地時間是相同的。例如,衛星最初由南向北(升段)經過北緯40°上空是當地時間早晨8點。由于地球公轉,即使地方時相同,不同季節的地面光照條件也有明顯差別。但在一段不長的時間內光照條件可視為大致相同。選擇適當的發射時間,可以使衛星經過一些地區時,這些地區始終有較好的光照條件,這樣衛星在這些地區的上空始終處于太陽光的照射下,不會進入地球陰影,太陽電池可以充足供電而不會中斷。傾角大于90°的太陽同步軌道還兼有極軌道的特點,可以俯瞰整個地球表面。氣象衛星、地球資源衛星一般都選取太陽同步軌道,以使拍攝的地面目標圖像最好。太陽同步軌道的精度要求很高。為了較長時間保持與太陽“同步”,衛星需要配備軌道控製系統,用于修正軌道誤差和不斷克服攝動力的影響。

軌道規律

太陽同步軌道太陽同步軌道

太陽同步軌道(有時不正確地叫一條heliosynchronous軌道)是以地球為中心軌道哪些結合高度並且傾向在這種情況下一個對象在那條軌道通過在任何特定點地球‘s表面在地方的同樣太陽時間.表面照明角度每次幾乎將是同樣。這套一致的照明設備是一個有用的特征為衛星那圖象地球的表面在可看見或紅外波長(即。天氣、間諜遙感衛星)。例如,一枚衛星在太陽同步軌道也許每次橫渡赤道十二次每天在近似地15:00當地時間。這由有達到軌道的軌道平面進動(轉動)大約每天一度,向東,到與地球的革命同步在附近太陽

太陽角度均一通過調整達到自然歲差軌道對每年一個充分的圈子。由于地球轉動,它輕微地是獻身宗教者(赤道比它為完善輕微地長球形)和在進動的傾斜軌道的額外物質近赤道起因航天器:軌道的飛機在空間沒有被固定相對遙遠的星,而是慢慢地轉動關于軸心。歲差的速度取決于軌道的傾向並且衛星的高度;通過平衡這二個作用,匹配歲差率的範圍是可能的。典型的太陽同步軌道是大約600-800公裏在高度,以期間在96-100分鍾範圍和傾向大約98°(輕微ie後退與地球的自轉的方向比較:0°代表一條赤道軌道,並且90°代表一條極性軌道)。

變異在軌道的這個類型是可能的;衛星可能有一條高度異常太陽同步軌道,在段落的“固定的太陽時期”為軌道的選上的點情況下隻舉行(典型地近地點).選上的軌道周期取決于期望再訪率;衛星在每個段落橫渡赤道在同一太陽時間,但它通常在不同的經度,因為地球在它之下轉動。例如,96分鍾的一個軌道周期,均勻地劃分成地球太陽日(15次)手段衛星在連貫軌道將橫渡在十五不同經度,在同樣地方太陽時間為每個地點,和再開始在第一經度每個第十五個段落,一次每天。

特別情況

太陽同步軌道太陽同步軌道

中午或午夜軌道段落的地方太陽時期為赤道經度是在中午附近或午夜的地方和黎明或黃昏軌道段落的地方太陽時期為赤道經度是在日出或日落附近的地方,因此衛星之間日夜乘坐終止者。乘坐終止者為主動雷達衛星是有用的,因為衛星的太陽電池板能總看太陽,不用由地球被遮蔽。它為有些衛星也是有用的用需要限製對測量的太陽的影響的被動儀器,因為總指向儀器往地球的夜邊是可能的。黎明或黃昏軌道為太陽觀察的科學衛星使用了例如Yohkoh,蹤影並且Hinode買得起他們星期日的一個幾乎連續的看法。

當衛星的高度增加,如此做必需的傾向,因此軌道的有用性加倍減少:首先,因為(為一枚地球觀察的衛星)衛星的照片從拍攝,並且,因為成長的傾向意味衛星其次不會飛行在更高的緯度。一枚太陽同步衛星設計飛行在大陸美國例如,將需要它的傾向是132°或較少,意味~4600公裏或較少的高度。陽同步軌道在其他行星附近是可能的,例如火星。

為一條太陽同步軌道,歲差是後退(即相對于地球的旋轉方向)為了在地球附近減慢衛星的視運動匹配地球的自轉。歲差率的好略計是:那裏是歲差率(rad/s)、是地球的赤道半徑(6.378137毫米)、是衛星的軌道半徑、是它的角頻率(2π弧度在它的期間以前劃分了)、它的傾向是地球的其次動態形狀因子(1.08×10-3).

最後數量與有關過寺院生活如下:是地球的過寺院生活、是地球的自轉率(7.292115×10-5rad/s)、是普遍性的產品萬有引力常數並且地球的大量(3.986004418×1014m³/s²)

專家評論

資源衛星專家陳宜元談太陽同步衛星

太陽同步軌道太陽同步軌道

“神舟”六號載人飛船2005年10月15日發射,騰訊科技全程報道這一令全國人民振奮的事件。為了讓廣大網友從各個角度了解“神六”,我們在發射前後邀請了眾多院士、重量級專家與媒體人士人士作客騰訊,從各個角度談“神六”,騰訊網特別邀請中國空間技術研究院研究員資源一號衛星總設計師陳宜元做客騰訊影片聊天室。聊天實錄,訪談影片進入嘉賓訪談首頁。 資源衛星總設計師陳宜元先生在騰訊網直播室中講到,我們習慣的統稱是衛星,實際上,衛星也包括了這些東西。我現在說軌道的分類。一種軌道是我們用的比較多的叫做靜止軌道或者是地球同步軌道,和地球的自轉是同步的。還有太陽同步。

太陽同步軌道就是它的軌道和太陽角是保持一定角度,這樣軌道面和太陽入射角保持一定,這樣它經過當地的時間是不變的。你比如說,這個衛星今天上午10點半經過北京上空,那以後它經過北京上空的,都是10點半。但是大家說,你經過北京是這樣,經過別的地方呢?經過別的地方也是10點半,是當地的時間。比如說,衛星這一圈經過北京10點半,下一圈經過新疆東部,應該是12點多了。但是實際上,在按照新疆當地時間,也是10點半。這兒有一個時差,當然如果新疆現在用的是台北時間,如果不用台北時間,按照當地時間。大家都知道,我們在新疆的時候,要是夏天去,到晚上10點鍾,天還亮著。它就是一個時差。這樣有什麽好處呢?一個是,太陽同步軌道,使得你搖桿的時候,太陽的照射適宜,否則對地觀測,太陽如果一會從這麽照,一會兒從那面照,你的圖象,就不太好解決。

用太陽電池發電,不是太陽同步軌道也不行。因為太陽電池的發電,現在是用我們叫做太陽儀,它是像太陽帆板,把太陽照上來,然後發電。角度最好不要有太大變化,否則發電量就受到影響。所以,太陽同步軌道是我們對地觀測衛星用的比較多的。這個軌道大體上是離地球500多公裏到1000多公裏的範圍以內。太陽同步軌道可以稍微低一些,而且這樣低對觀測地球也有利,現在三萬多公裏你也可以看地球。他的優點是可以24小時老看著你,因為他是跟著地球。特別是監視飛彈發射,我們叫做預警衛星,監測飛彈發射的時候,可以24小時監視。因為剛才我說的,太陽同步軌道它是低空的,它繞地球轉,它轉一圈,一般都是100分鍾,速度很快。所以,它不能夠即時的,它隻能夠這一圈看一下,等到過了一圈,再看。所以要實現老盯著一個地方的話,就要很多衛星組成網。

但是它有一個缺點,太遠了。所以很多進一步的觀察,進一步的監視,還要靠低的軌道衛星來補充一下。另外像載人飛船、回收衛星的話,它的軌道,一般都是300公裏。另外,如果你沒有新的動力去給它的話,由于大氣有阻力,就會越來越忙最後掉下來,當然為了增加它的壽命,比如有的時候,要在空間呆比較長時間,它還要推進,還要增加它的抵抗大氣阻力,還要使它延長壽命。我剛才說的,從軌道來分,有地球同步軌道,還有其他軌道,其他軌道,像載人飛船,還有一些其他衛星

太陽同步軌道(Sun-synchronousorbit或Heliosynchronousorbit)指的就是衛星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向,軌道的傾角(軌道平面與赤道平面的夾角)接近90度,衛星要在兩極附近通過,因此又稱之為近極地太陽同步衛星軌道。為使軌道平面始終與太陽保持固定的取向,因此軌道平面每天平均向地球公轉方向(自西向東)轉動0.9856度(即360度/年)。

運行要素

軌道平面繞地球自轉軸旋轉的方向與地球公轉方向相同、旋轉角速度等于地球公轉的平均角速度(即0.9856度/天或360度/年)的人造地球衛星軌道。太陽同步軌道的半長軸、偏心率和傾角這三個軌道要素須滿足下式: cosi=-4.7736×10(1-e)a式中a為軌道半長軸,e為偏心率,i為傾角。由公式可以得知:太陽同步軌道的傾角必須大于90°,即它是一條逆行軌道。在圓軌道時,傾角最大為180°,所以太陽同步軌道的高度不會超過6000公裏。

在太陽同步軌道上運行的衛星,以相同方向經過同一緯度的當地時間是相同的。例如衛星由南向北(升段)經過北緯40°上空是當地時間早晨8點,以後升段經過北緯40°都是當地時間早晨8點。由于地球公轉,即使時間相同,不同季節的地面光照條件也有明顯差別。但是在一段不長的日子裏光照條件大致相同。選擇適當的發射時間,可以使衛星經過一些地區時這些地區始終具有比較好的光照條件,並且衛星在這些地區的上空始終處在太陽光的照射下,不會進入地球陰影,這時太陽電池可以充足供電而不會中斷。傾角稍大于90°的太陽同步軌道還兼有極軌道的特點,可以俯瞰整個地球表面。

氣象衛星、地球資源衛星和照相偵察衛星一般都取太陽同步軌道,以使拍攝的地面目標的圖像最好。太陽同步軌道對于軌道的精度要求較高,為了較長時間都能與太陽“同步”,衛星需要設有軌道控製系統,用于修正軌道誤差和不斷克服攝動力影響(見軌道保持)。

太陽同步軌道(有時不正確地叫一條heliosynchronous軌道)是以地球為中心軌道哪些結合高度並且傾向在這種情況下一個對象在那條軌道通過在任何特定點地球‘s表面在地方的同樣太陽時間.表面照明角度每次幾乎將是同樣。這套一致的照明設備是一個有用的特征為衛星那圖象地球的表面在可看見或紅外波長(即。天氣、間諜和遙感衛星)。例如,一枚衛星在太陽同步軌道也許每次橫渡赤道十二次每天在近似地15:00當地時間。這由有達到軌道的軌道平面進動(轉動)大約每天一度,向東,到與地球的革命同步在附近太陽。

太陽角度均一通過調整達到自然歲差軌道對每年一個充分的圈子。由于地球轉動,它輕微地是獻身宗教者(赤道比它為完善輕微地長球形)和在進動的傾斜軌道的額外物質近赤道起因航天器:軌道的飛機在空間沒有被固定相對遙遠的星,而是慢慢地轉動關于軸心。歲差的速度取決于軌道的傾向並且衛星的高度;通過平衡這二個作用,匹配歲差率的範圍是可能的。典型的太陽同步軌道是大約600-800公裏在高度,以期間在96-100分鍾範圍和傾向大約98°(輕微ie後退與地球的自轉的方向比較:0°代表一條赤道軌道,並且90°代表一條極性軌道)。

變異在軌道的這個類型是可能的;衛星可能有一條高度異常太陽同步軌道,在段落的“固定的太陽時期”為軌道的選上的點情況下隻舉行(典型地近地點).選上的軌道周期取決于期望再訪率;衛星在每個段落橫渡赤道在同一太陽時間,但它通常在不同的經度,因為地球在它之下轉動。例如,96分鍾的一個軌道周期,均勻地劃分成地球太陽日(15次)手段衛星在連貫軌道將橫渡在十五不同經度,在同樣地方太陽時間為每個地點,和再開始在第一經度每個第十五個段落,一次每天。

技術細節

太陽同步軌道太陽同步軌道

為一條太陽同步軌道,歲差是後退(即相對于地球的旋轉方向)為了在地球附近減慢衛星的視運動匹配地球的自轉。歲差率的好略計是:那裏是歲差率(rad/s),是地球的赤道半徑(6.378137毫米),是衛星的軌道半徑,是它的角頻率(2π弧度在它的期間以前劃分了);它的傾向是地球的其次動態形狀因子(1.08×10-3);最後數量與有關過寺院生活如下:是地球的過寺院生活,是地球的自轉率(7.292115×10-5rad/s),是普遍性的產品萬有引力常數並且地球的大量(3.986004418×1014m³/s² 太陽同步軌道。由于地球扁率(地球不是圓球形,而是在赤道部分隆起),衛星軌道平面繞地球自轉軸旋轉。如果衛星軌道平面繞地球自轉軸的旋轉方向和角速度與地球繞太陽公轉的方向和平均角速度相同,則這種衛星軌道叫太陽同步軌道。

人造地球衛星繞地球運行遵循開普勒行星運動三定律。(1)衛星軌道為一橢圓,地球在橢圓的一個焦點上。其長軸的兩個端點是衛星離地球最近和最遠的點,分別叫做遠地點和近地點。(2)人造地球衛星在橢圓軌道上繞地球運行時,其運行速度是變化的,在遠地點時最低,在近地點時最高。速度的變化服從面積守恆規律,即衛星的向徑(衛星至地球的連線)在相同的時間內掃過的面積相等。(3)人造地球衛星在橢圓軌道上繞地球運行,其運行周期取決于軌道的半長軸(與半長軸的二分之三次方成正比)。不管軌道形狀如何,隻要半長軸相同,它們就有相同的運行周期。人造地球衛星軌道的形狀和大小由它的半長軸和半短軸的數值來決定。其半長軸和半短軸的數值越大,軌道越高;半長軸與半短軸相差越多,軌道的橢圓形越扁長;並長軸與半短軸相等則為圓形軌道。

衛星軌道平面與地球赤道平面的夾角叫軌道傾角,它是確定衛星軌道空間位置的一個重要參數。軌道傾角小于90o為順行軌道;軌道傾角大于90o為逆行軌道;軌道傾角為0o則為赤道軌道;軌道傾角等于90o,則軌道平面通過地球南北極。

就是通過地球南北極的衛星軌道平面,每天向東移動0.9856度,這個角度正好是地球繞太陽公轉每天東移的角度。軌道高度在700千米至1000千米之間,運行于此軌道的衛星。衛星總是在相同的當地時間從相同的方向經過同一緯度,例如衛星從南向北經過北緯40度的當地時間是清晨8點,以後也總是在當地時間早8點由南向北經過北緯40度,這樣的衛星像太陽一樣,在同一季節裏,總是在當地同一時間從相同方向出現,因此稱為太陽同步衛星。這類衛星的特點是:隻要設計好軌道、發射時間,就可以使某一地區在衛星經過時總處于陽光照射下,太陽能電池不會中斷工作,可以拍攝下最好的圖像,資源衛星、照相衛星、氣象衛星多屬此類。

同步衛星

太陽同步軌道太陽同步軌道

同步衛星簡言之就是與地球自轉同步的人造衛星,即它繞地心旋轉的速度和地球自轉的速度必須一致,運轉周期與地球自轉的周期必須相同,都為23小時56分4秒。 因此,從地面上看去,與地球同步的同步衛星,好像固定在天上不動一樣。這就如同在一輛快速前進的火車上,由于乘客的運動速度都相同,相互間的位置始終保持不變,處于相對靜止的狀態一樣,所以這種衛星又稱為“靜止衛星”。衛星之所以不會受到地球的引力而墜落下來,是因為它繞地心旋轉產生的離心力與地球引力相平衡。要獲得這一平衡隻有兩個途徑,或者加快運行速度,或者增加旋轉半徑的距離。而地球同步衛星的運行速度是與地球相同的,因此隻能從距離方面著手,使同步衛星達到足夠的高度它才不會墜落。經過計算得出,隻有運行在離地面高為35786千米太空的人造衛星,才能與地球同步運行,既不會飛離也不會墜落。因此,人們將35786千米的高空軌道稱為“同步軌道”。

而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;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!

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