卫星轨道分析及发射场建设难题

1.地球同步轨道

地球同步轨道又称24h轨道，要实现地球同步轨道，须满足下列条件：

1）卫星运行方向与地球自转方向相同。

2）轨道偏心率为0，即轨道是圆形的；运行轨道为位于地球赤道平面上的圆形轨道。

3）运行周期与地球自转一周的时间相等，即24h，卫星在轨道上的绕行速度约为3.1km／s，等于地球自转的角速度。

地球同步轨道卫星是运行在地球同步轨道上的人造卫星，同步轨道卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期（23小时56分4秒），且方向亦与之一致，同步轨道卫星在每天同一时间的星下点轨迹相同。

地球同步轨道与地球静止轨道不是一回事，它们之间有共同点，也有较大区别。地球同步轨道与地球静止轨道都是运行周期（23小时56分4秒）相同的人造地球卫星轨道。两种轨道有三点不同：

①轨道倾角不同。地球静止轨道是轨道倾角（轨道平面和赤道平面的夹角）为零的圆形地球同步轨道。地球静止轨道一定在赤道平面上；而地球同步轨道平面可与赤道平面成一不为零的夹角。

②卫星位置不同。在地球同步轨道上运行的卫星每天在相同时间经过相同地方的天空，对地面上的观察者来说，每天相同时刻卫星会出现在相同的方向上，在一段连续的时间内，卫星相对于观察者可以是运动的；而处于地球静止轨道上运行的卫星每天任何时刻都处于相同地方的上空，地面观察者看到卫星始终位于某一位置，保持静止不动。

③星下点不同。人造地球卫星在地面的投影点（或卫星和地心连线与地面的交点）称为星下点。卫星运动和地球自转使星下点在地球表面移动，形成星下点轨迹。地球同步卫星的星下点轨迹是一条8字形的封闭曲线，而地球静止卫星的星下点轨迹是一个点。

2.卫星分类

地球同步卫星分为同步轨道静止卫星、倾斜轨道同步卫星和极地轨道同步卫星。

（1）同步轨道静止卫星 当同步轨道卫星轨道面的倾角为0°，即卫星在地球赤道上空运行时，由于运行方向与地球自转方向相同，运行周期又与地球同步，因此，人们从地球上仰望卫星，仿佛其悬挂在太空静止不动，所以，当轨道与赤道平面重合，即把零倾角的同步轨道称为静止轨道，在静止轨道上运行的卫星称为静止卫星。地球静止轨道卫星的高度为35786km，它的覆盖范围很广，利用均布在地球赤道上的三颗地球静止轨道卫星，就可以实现除南北极很小一部分地区外的全球通信。静止卫星上的天线所辐射的电波，对地球的覆盖区域基本是稳定的，在这个覆盖区内，任何地球站之间可以实现24h不间断通信。因此，同步轨道静止卫星主要用于陆地固定通信，如电话通信、电视节目的转播等，但也用于海上移动通信，不过，它不像陆上蜂窝移动通信那样有那么多的基站，只有卫星是一座大的基站，移动业务交换中心依然设在岸上（称为岸站），海上移动终端之间（船舶与船舶之间）的通信，需经卫星两跳后才能实现，例如，如果甲船需同乙船联系，那么，甲船将信号发至卫星，经卫星一跳到达岸站上的移动业务交换中心，然后，岸站又将信号发至卫星，再经卫星一跳到达乙船。倾斜轨道和极地轨道同步卫星从地球上看是移动的，但却每天可以经过特定的地区，因此，通常用于科研、气象或军事情报的搜集，以及两极地区和高纬度地区的通信。

（2）倾斜轨道同步卫星 地球同步卫星常用于通信、气象、广播电视、导弹预警、数据中继等方面，以实现对同一地区的连续工作。在遥感应用中，除了气象卫星外，一个突出的应用就是，通过地球同步轨道上的四颗跟踪和数据中继卫星系统，高速率地传送中低轨道地球观测卫星或航天飞机所获取的地球资源与环境遥感数据。世界上第一颗地球同步卫星是1964年8月19日美国发射的“辛康”（syncom）3号。中国于1984年4月8日、1986年2月1日和1988年3月7日分别发射三颗用于通信广播的地球同步卫星。

（3）极地轨道同步卫星 倾角为90°的人造地球卫星轨道，又称极地轨道。在极地轨道上运行的卫星，每一圈内都可以经过任何纬度和南北两极的上空。由于卫星在任何位置上都可以覆盖一定的区域，因此，为覆盖南北极，轨道倾角并不需要严格的90°，只需在90°附近就行。在工程上常把倾角在90°左右，但仍能覆盖全球的轨道也称为极地轨道。近地卫星导航系统（如美国海军导航卫星系统）为提供全球的导航服务多采用极地轨道。许多地球资源卫星、气象卫星以及一些军事侦察卫星采用太阳同步轨道，它们的倾角与90°只相差几度，所以也可以称其为极地轨道。还有一些研究极区物理的科学卫星也采用极地轨道。

3.卫星发射

要将同步卫星发射到同步轨道上，是相当困难和复杂的。但如果一个国家的卫星发射场建在地球的赤道上，那这种卫星的发射就简单多了。在赤道上可以由西向东发射，达到要求的轨道高度，在适当的位置定点，问题就解决了。可惜的是，许多发射卫星的国家不在赤道上，也不可能在赤道上建立卫星发射场。这样就给卫星的发射带来了许多困难，要经过几次轨道变换才能成功。因为受火箭运载能力的限制和发射场一般不处于赤道上的影响，多数运载火箭不能将卫星直接送到同步轨道上，必须分为三步才能入轨。图14-6为入轨步骤。

图14-6 入轨步骤

第一步，运载火箭将卫星送到距地面200～300km的停泊轨道（椭圆形轨道）；(www.xing528.com)

第二步，以停泊轨道的环绕速度将卫星加速送到转移轨道与同步轨道相切处，即转移轨道的远地点；

第三步，在远地点上点燃发动机，使卫星进入地球同步轨道，并用卫星上的小发动机调整卫星的姿态，使卫星完全进入同步轨道。

为了便于说明和理解，首先假设从赤道面发射卫星，图14-7为卫星发射程序。火箭起飞后达到一定的高度时，一级火箭熄火并自动分离，火箭携带卫星爬升一段时间，即图中的惯性飞行，然后末级火箭点火工作，当达到一定的轨道高度时，火箭熄火。图14-8为卫星的轨道转移，这时卫星进入一个距离地球很近的轨道，即初始轨道。当卫星到达初始轨道的远地点时，发动机再次点火工作，把卫星加速到一个大椭圆轨道（转移轨道）上，这时大椭圆轨道的近地点就是初始轨道的远地点，而大椭圆轨道的远地点则正好是36000km的高度，这时火箭的末级与卫星分离。当卫星再次转到大椭圆轨道的远地点时，卫星上的远地点发动机点火工作，把卫星推入36000km的圆轨道，这就进入了地球同步轨道。

图14-7 卫星发射程序

图14-8 卫星的轨道转移

图14-9为进入地球同步轨道，由于大多数国家的发射场不在赤道上，所以实际上卫星发射时的轨道面和地球的赤道面总是有一个夹角，即轨道倾角。

图14-9 进入地球同步轨道

从图14-9上可看出，卫星的轨道面和地球的赤道面不重合，因此首要任务就是使卫星进入赤道平面，即要改变它的运动方向。因此在卫星的远地点发动机点火之前，首先要调整卫星的姿态，使发动机的轴线和轨道面成一定的角度。这时，当卫星飞经赤道上空时，恰好远地点发动机点火工作，给卫星一个沿发动机轴线方向的附加速度，如图14-9中的v₁，而卫星在原来轨道上飞行时有一个轨道速度，如图14-9中的v₀，这两个速度就按照力学的速度合成原理，合成一个新速度。这个新速度的方向是两个速度组成的平行四边形的对角线方向，如图14-9中的v₂。这个v₂是非常关键的，它的速度方向一定要刚好沿着地球的赤道方向，这时卫星才能在赤道上空飞行。此后，卫星还有一个定点任务，需经过姿态的调整和精确的姿态修正。这是因为当卫星的远地点发动机熄火后，产生各种误差的原因往往使卫星的实际位置与要求的定点位置不一致。卫星定点实际上是卫星的轨道微调。卫星上除了装有远地点发动机外，在它的各个特定方向还装有成对的小发动机，按不同的误差，起动不同的小发动机来进行轨道控制，精确修正轨道，使它慢慢贴近静止轨道，并且停止漂移，这时卫星就完全定点于预定的地点上空了。但即使卫星已经定点很准了，当工作时间一长，由于地球形状（地球不是正圆）、地磁场的影响，以及太阳甚至月亮的引力都使得卫星的位置发生变化，所以还要经常进行轨道修正，要随时控制它的状态和位置，这种修正称为卫星的轨迹保持。

我国的同步卫星技术已处于世界领先水平。

4.航天飞机飞行过程

1）发射前6s，航天飞机主发动机和助推器点火。

2）发射后8s，速度升至160km／h。

3）不到1min内，飞行速度骤升至1600km／h。

4）2min后，火箭助推器处同航天飞机分离。

5）8分40秒入轨，主发动机关闭，航天飞机将以8km／s（28800km／h）速度飞行。