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(jià)值。有些似乎盤旋在一個(gè)地方，提供地球一側(cè)的恒定視野，而另一些則圍繞地球運(yùn)行，全天飛越許多不同的地點(diǎn)。

國(guó)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(dú)特的視角。（美國(guó)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(yuǎn)。在中（中）地球軌道運(yùn)行的衛(wèi)星包括導(dǎo)航衛(wèi)星和旨在監(jiān)測(cè)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(guó)宇航局的地球觀測(cè)系統(tǒng)衛(wèi)星，都具有低地球軌道。

對(duì)軌道進(jìn)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(dá)月球的十分之一處開始。（美國(guó)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(yùn)行的速度。地球軌道衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)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(qiáng)，衛(wèi)星移動(dòng)得越來越快。例如，美國(guó)宇航局的Aqua衛(wèi)星繞地球運(yùn)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(shí)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(dòng)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(yùn)行一次。圖中每個(gè)紅色箭頭的長(zhǎng)度代表衛(wèi)星一小時(shí)內(nèi)行駛的距離。觀看動(dòng)畫。（美國(guó)宇航局插圖由羅伯特·西蒙繪制。

改變衛(wèi)星的高度也會(huì)改變其軌道速度。這導(dǎo)致了一個(gè)奇怪的悖論。如果衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商想要提高衛(wèi)星的軌道速度，他不能簡(jiǎn)單地發(fā)射推進(jìn)器來加速衛(wèi)星。這樣做會(huì)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(jìn)運(yùn)動(dòng)相反的方向發(fā)射推進(jìn)器，這一動(dòng)作會(huì)減慢地面上移動(dòng)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(jìn)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(yùn)動(dòng)。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(gè)焦點(diǎn)而不是中心移動(dòng)。（美國(guó)宇航局插圖由羅伯特·西蒙繪制。

傾角是軌道相對(duì)于地球赤道的角度。直接在赤道上方運(yùn)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(yùn)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(guó)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(duì)地球的視野。

高軌衛(wèi)星

當(dāng)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(shí)，它進(jìn)入一種“最佳點(diǎn)”，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(gè)經(jīng)度上，盡管它可能會(huì)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(duì)于地面完全不移動(dòng)的地球靜止軌道。它總是直接位于地球表面的同一位置。

對(duì)地靜止軌道對(duì)于天氣監(jiān)測(cè)很有價(jià)值，因?yàn)樵撥壍郎系男l(wèi)星可以提供同一表面區(qū)域的持續(xù)視圖。當(dāng)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(shí)，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(huì)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(cè)和預(yù)報(bào)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(diǎn)上方。這個(gè)位置允許衛(wèi)星觀察天氣和其他短時(shí)間內(nèi)變化的現(xiàn)象。（美國(guó)宇航局照片由MaritJentoft-Nilsen和RobertSimmon拍攝。

由于對(duì)地靜止衛(wèi)星始終位于一個(gè)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(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)運(yùn)營(yíng)，提供搜索和救援信標(biāo)，用于幫助定位遇險(xiǎn)船只和飛機(jī)。

最后，許多高地球軌道衛(wèi)星監(jiān)測(cè)太陽活動(dòng)。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(gè)軌道“最佳位置”位于高地球軌道之外，是拉格朗日點(diǎn)。在拉格朗日點(diǎn)，來自地球的引力抵消了來自太陽的引力。放置在這些點(diǎn)上的任何物體都會(huì)受到地球和太陽的同等拉力，并且會(huì)與地球一起繞太陽旋轉(zhuǎn)。

在日地系統(tǒng)的五個(gè)拉格朗日點(diǎn)中，只有最后兩個(gè)（稱為L(zhǎng)4和L5）是穩(wěn)定的。其他三個(gè)點(diǎn)的衛(wèi)星就像一個(gè)平衡在陡峭山頂上的球：任何輕微的擾動(dòng)都會(huì)將衛(wèi)星推出拉格朗日點(diǎn)，就像一個(gè)球從山上滾下來一樣。這三個(gè)點(diǎn)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(diǎn)衛(wèi)星更像是碗里的球：即使受到干擾，它們也會(huì)回到拉格朗日點(diǎn)。

拉格朗日點(diǎn)是一個(gè)特殊位置，衛(wèi)星和地球在繞太陽運(yùn)行時(shí)相對(duì)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(duì)。L4和L5處于同一軌道，且與地球前后各60。（美國(guó)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(diǎn)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(duì)面，并且始終處于夜間。（美國(guó)宇航局插圖由羅伯特·西蒙繪制。

第一個(gè)拉格朗日點(diǎn)位于地球和太陽之間，衛(wèi)星可以從該點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)太陽。太陽和日光層觀測(cè)站（SOHO）是美國(guó)宇航局和歐洲航天局的一顆衛(wèi)星，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)太陽。它繞距離地球約150萬公里的第一個(gè)拉格朗日點(diǎn)運(yùn)行。

第二個(gè)拉格朗日點(diǎn)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(diǎn)和太陽之間。由于太陽和地球在一條直線上，因此這個(gè)位置的衛(wèi)星只需要一個(gè)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(yuǎn)鏡的好位置，包括未來的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（哈勃的后繼者，計(jì)劃于2014年發(fā)射）和當(dāng)前的威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP），該探測(cè)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(gè)拉格朗日點(diǎn)在太陽的另一側(cè)與地球相對(duì)，因此太陽始終位于它和地球之間。處于這個(gè)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(diǎn)和第五拉格朗日點(diǎn)位于地球繞太陽軌道向前或向后60度。雙日地關(guān)系觀測(cè)站（STEREO）航天器將在第四和第五拉格朗日點(diǎn)運(yùn)行，以提供太陽的三維視圖。

雙日地關(guān)系觀測(cè)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(dòng)速度越快。有兩個(gè)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(gè)高度的衛(wèi)星需要12小時(shí)才能完成一周軌道。當(dāng)衛(wèi)星移動(dòng)時(shí)，地球在其下方旋轉(zhuǎn)。24小時(shí)內(nèi)，衛(wèi)星每天都會(huì)經(jīng)過赤道上相同的兩個(gè)點(diǎn)。這個(gè)軌跡是一致的并且高度可預(yù)測(cè)的。它是全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星使用的軌道。

第二個(gè)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(cè)高緯度地區(qū)。對(duì)地靜止軌道因其提供的恒定視野而有價(jià)值，但對(duì)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(yuǎn)的北部或南部位置，這些位置始終位于對(duì)地靜止衛(wèi)星視場(chǎng)的邊緣。莫尼亞軌道提供了一個(gè)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(zhǎng)高緯度地區(qū)的觀測(cè)時(shí)間。每個(gè)軌道持續(xù)12小時(shí)，因此軌道的緩慢、高空部分每天都會(huì)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(yùn)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(shí)移動(dòng)得非常快。當(dāng)它遠(yuǎn)離地球時(shí)，它的速度會(huì)減慢，因此它會(huì)在距離地球最遠(yuǎn)的軌道頂部停留更多的時(shí)間。Molniya軌道上的一顆衛(wèi)星需要12小時(shí)才能完成其軌道，但它大約三分之二的時(shí)間都在一個(gè)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(shí)經(jīng)過同一路徑。這種類型的軌道對(duì)于遙遠(yuǎn)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(cè)什么。發(fā)射熱帶降雨測(cè)量任務(wù)（TRMM）衛(wèi)星來監(jiān)測(cè)熱帶地區(qū)的降雨量。因此，它的傾角相對(duì)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(jìn)行的一半觀測(cè)。（NASA圖片由TRMM項(xiàng)目提供。

美國(guó)宇航局地球觀測(cè)系統(tǒng)中的許多衛(wèi)星都有近極軌道。在這個(gè)高度傾斜的軌道上，衛(wèi)星繞地球從一極移動(dòng)到另一極，完成一個(gè)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(diǎn)，衛(wèi)星經(jīng)過地球的夜晚一側(cè)。

當(dāng)衛(wèi)星繞軌道運(yùn)行時(shí)，地球在下面旋轉(zhuǎn)。當(dāng)衛(wèi)星回到白天時(shí)，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(shí)內(nèi)，極軌衛(wèi)星將觀測(cè)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(gè)最佳位置，可以讓它們停留在地球上的某一點(diǎn)，極軌衛(wèi)星也有一個(gè)最佳位置，可以讓它們停留在時(shí)間上的一個(gè)點(diǎn)。該軌道是太陽同步的，這意味著無論何時(shí)何地衛(wèi)星穿過赤道，地面上的當(dāng)?shù)靥枙r(shí)總是相同的。例如，對(duì)于Terra衛(wèi)星來說，當(dāng)衛(wèi)星穿過巴西赤道時(shí)，總是在上午10點(diǎn)30分左右。當(dāng)這顆衛(wèi)星在大約99分鐘內(nèi)進(jìn)行下一次繞地球飛行時(shí)，它將在當(dāng)?shù)貢r(shí)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(dāng)?shù)貢r(shí)間的同一時(shí)間穿過赤道。該軌道允許進(jìn)行一致的科學(xué)觀測(cè)，太陽和地球表面之間的角度保持相對(duì)恒定。這些插圖顯示了太陽同步衛(wèi)星的3個(gè)連續(xù)軌道，穿越赤道的時(shí)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(dòng)畫。（美國(guó)宇航局插圖由羅伯特·西蒙繪制。

太陽同步軌道對(duì)于科學(xué)來說是必要的，因?yàn)樗梢允沟厍虮砻娴年柟饨嵌缺M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(huì)造成變化的錯(cuò)覺。如果沒有太陽同步軌道，就很難跟蹤隨時(shí)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(huì)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(shí)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(chǎng)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(dá)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(yùn)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(shì)幫助將其發(fā)射入軌道。國(guó)際空間站的軌道傾斜角為51.6397度，使航天飛機(jī)和俄羅斯火箭更容易到達(dá)它。另一方面，極軌衛(wèi)星沒有得到地球動(dòng)量的幫助，因此需要更多的能量才能到達(dá)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(dòng)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(chǎng)中受益匪淺。拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)（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(guó)際空間站運(yùn)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(jìn)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(gè)完美的球體，它的引力在某些地方比其他地方更強(qiáng)。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(dòng)三到四次才能保持在原位。美國(guó)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(huì)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(qiáng)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(shí)間的推移，衛(wèi)星最終會(huì)以較低的速度進(jìn)入大氣層時(shí)燃燒殆盡，或者墜落到地球上。

當(dāng)太陽活躍時(shí)，大氣阻力更強(qiáng)。就像氣球中的空氣在受熱時(shí)膨脹并上升一樣，當(dāng)太陽為其提供額外的能量時(shí)，大氣也會(huì)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(gè)較厚的大氣層，而不是太陽不太活躍時(shí)的薄層。由于衛(wèi)星在太陽活動(dòng)最強(qiáng)時(shí)穿過密度更大的空氣，因此它面臨更大的阻力。當(dāng)太陽安靜時(shí)，近地軌道上的衛(wèi)星每年必須提高軌道約四次，以補(bǔ)償大氣阻力。當(dāng)太陽活動(dòng)最活躍時(shí)，可以每2-3周操縱衛(wèi)星一次。

移動(dòng)衛(wèi)星的第三個(gè)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(guó)銥星公司擁有的一顆通信衛(wèi)星與一顆無法運(yùn)行的俄羅斯衛(wèi)星相撞。兩顆衛(wèi)星均解體，形成一個(gè)包含至少2,500塊碎片的碎片場(chǎng)。每塊碎片都被添加到一個(gè)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(gè)人造物體，并由美國(guó)太空監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行跟蹤。

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

數(shù)以千計(jì)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(gè)黑點(diǎn)代表一顆正在運(yùn)行的衛(wèi)星、一顆不活動(dòng)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(gè)點(diǎn)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(guó)宇航局插圖由軌道碎片計(jì)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(duì)地靜止軌道（沿外緣的衛(wèi)星環(huán)所示）。（美國(guó)宇航局插圖由軌道碎片計(jì)劃辦公室提供。

銥星碰撞產(chǎn)生的碎片場(chǎng)特別受到地球觀測(cè)系統(tǒng)的關(guān)注，因?yàn)樗槠瑘?chǎng)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(jìn)入地球觀測(cè)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(xì)計(jì)劃規(guī)避機(jī)動(dòng)。該團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃并執(zhí)行了調(diào)整衛(wèi)星傾角和高度的演習(xí)。該團(tuán)隊(duì)評(píng)估了這些計(jì)劃中的演習(xí)，以確保它們不會(huì)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(qǐng)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”。