[科普中國]-太陽同步軌道

簡介

同步軌道計算要素所謂太陽同步軌道是指衛(wèi)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(wèi)星要在極地附近通過，所以又稱它為近極地太陽同步衛(wèi)星軌道。為保持軌道平面始終與太陽保持固定的取向，在衛(wèi)星隨地球繞太陽公轉(zhuǎn)時，軌道平面每天要自西向東作大約1°的轉(zhuǎn)動。但是若地球是個均勻球體，當?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)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(wèi)星的引力不等，使衛(wèi)星的軌道平面繞地軸朝著與衛(wèi)星運動相反方向旋轉(zhuǎn)，即軌道平面的進動。若選定合適的傾角（大于90°）使衛(wèi)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(xiàn)了太陽同步軌道。在這種軌道上的衛(wèi)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(wèi)星軌道平面在空間的轉(zhuǎn)動與太陽在空間的視運動一致，則衛(wèi)星軌道稱為太陽同步軌道。衛(wèi)星稱為太陽同步衛(wèi)星。這時太陽視線與衛(wèi)星軌道平面的夾角不變，當衛(wèi)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(wèi)星每次都在同一當?shù)貢r間經(jīng)過該地，這對照相偵察衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)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(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方向與地球公轉(zhuǎn)方向相同、旋轉(zhuǎn)角速度等于地球公轉(zhuǎn)的平均角速度(0.9856度/天或360度/年）的人造地球衛(wèi)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(shù)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(nèi)的變化最小。此外，在太陽同步軌道上運行的衛(wèi)星，以相同方向經(jīng)過同一緯度時的當?shù)貢r間（地方平太陽時）相同，因此衛(wèi)星在經(jīng)過同緯度地時是有相近的光照條件。大多數(shù)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(wèi)星都采用太陽同步軌道。通常還用衛(wèi)星過降交點時的當?shù)貢r間作為太陽同步軌道的一個重要參數(shù)，稱為降交點地方（平太陽）時。23

計算公式軌道平面繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方向與地球的公轉(zhuǎn)方向相同、旋轉(zhuǎn)角速度等于地球公轉(zhuǎn)的平均角速度（即0.9856°/d或360°/a）的人造地球衛(wèi)星軌道。太陽同步軌道的半長軸α、偏心率e和傾角i;這3個軌道要素必須滿足以下關(guān)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(wèi)星，從相同的方向經(jīng)過同一緯度的當?shù)貢r間是相同的。例如，衛(wèi)星最初由南向北（升段）經(jīng)過北緯40°上空是當?shù)貢r間早晨8點。由于地球公轉(zhuǎn)，即使地方時相同，不同季節(jié)的地面光照條件也有明顯差別。但在一段不長的時間內(nèi)光照條件可視為大致相同。選擇適當?shù)陌l(fā)射時間，可以使衛(wèi)星經(jīng)過一些地區(qū)時，這些地區(qū)始終有較好的光照條件，這樣衛(wèi)星在這些地區(qū)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(wèi)星、地球資源衛(wèi)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(wèi)星需要配備軌道控制系統(tǒng)，用于修正軌道誤差和不斷克服攝動力的影響。33

理論定義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(zhuǎn)方向大致相同，進動角速率等于地球公轉(zhuǎn)平均角速率（0.9856度/日或360度/年）的人造地球衛(wèi)星軌道。其實，說簡單一點，就是能保證衛(wèi)星每天以相同方向經(jīng)過同一緯度的當?shù)厣峡盏能壍?。因為，我們知道，衛(wèi)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(wèi)星每天在特定的時刻經(jīng)過指定地區(qū)，這當然便于我們獲得最好的太陽光條件，從而得到高質(zhì)量的地面目標圖像，這就是氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星通常選擇太陽同步軌道的原因。茫茫星空，有心人會發(fā)現(xiàn)，有些衛(wèi)星幾乎總是在同一時刻出現(xiàn)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(zhuǎn)的周期（23小時56分4秒）相同。也許有人會說，那么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(guī)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(xiàn)時間上的不一致性。

那么，地球同步軌道有什么用呢？設(shè)想一下，如果我們想每天監(jiān)視地球上的同一個地方，我們的衛(wèi)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(qū)，常用的靜止軌道衛(wèi)星無法覆蓋，如果想實現(xiàn)衛(wèi)星通信，太陽同步軌道是再好的選擇。事實上，俄羅斯的“閃電”通信衛(wèi)星也正是這樣選擇運行軌道的3

運行要素軌道平面繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方向與地球公轉(zhuǎn)方向相同、旋轉(zhuǎn)角速度等于地球公轉(zhuǎn)的平均角速度(即0.9856度/天或360度/年)的人造地球衛(wèi)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=-4.7736×10-15(1-e2)2a7/2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公里。

在太陽同步軌道上運行的衛(wèi)星，以相同方向經(jīng)過同一緯度的當?shù)貢r間是相同的。例如衛(wèi)星由南向北（升段）經(jīng)過北緯40°上空是當?shù)貢r間早晨8點,以后升段經(jīng)過北緯40°都是當?shù)貢r間早晨8點。由于地球公轉(zhuǎn),即使時間相同，不同季節(jié)的地面光照條件也有明顯差別。但是在一段不長的日子里光照條件大致相同。選擇適當?shù)陌l(fā)射時間，可以使衛(wèi)星經(jīng)過一些地區(qū)時這些地區(qū)始終具有比較好的光照條件，并且衛(wèi)星在這些地區(qū)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(wèi)星、地球資源衛(wèi)星和照相偵察衛(wèi)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(wèi)星需要設(shè)有軌道控制系統(tǒng)，用于修正軌道誤差和不斷克服攝動力影響（見軌道保持）。

開普勒人造地球衛(wèi)星繞地球運行遵循開普勒行星運動三定律。（1）衛(wèi)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(wèi)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(wèi)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恒規(guī)律，即衛(wèi)星的向徑（衛(wèi)星至地球的連線）在相同的時間內(nèi)掃過的面積相等。（3）人造地球衛(wèi)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，只要半長軸相同，它們就有相同的運行周期。人造地球衛(wèi)星軌道的形狀和大小由它的半長軸和半短軸的數(shù)值來決定。其半長軸和半短軸的數(shù)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；并長軸與半短軸相等則為圓形軌道。

衛(wèi)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(wèi)星軌道空間位置的一個重要參數(shù)。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(wèi)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(zhuǎn)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(wèi)星。衛(wèi)星總是在相同的當?shù)貢r間從相同的方向經(jīng)過同一緯度，例如衛(wèi)星從南向北經(jīng)過北緯40度的當?shù)貢r間是清晨8點，以后也總是在當?shù)貢r間早8點由南向北經(jīng)過北緯40度，這樣的衛(wèi)星像太陽一樣，在同一季節(jié)里，總是在當?shù)赝粫r間從相同方向出現(xiàn)，因此稱為太陽同步衛(wèi)星。這類衛(wèi)星的特點是：只要設(shè)計好軌道、發(fā)射時間，就可以使某一地區(qū)在衛(wèi)星經(jīng)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(wèi)星、照相衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星多屬此類。

衛(wèi)星舉例太陽同步軌道衛(wèi)星，軌道傾角大于90度且在兩極附近通過，所以也為近極軌衛(wèi)星，它的軌道面與太陽的取向一致，所以叫太陽同步衛(wèi)星。每天向東移動0.9856度,這個角度正好是地球繞太陽公轉(zhuǎn)每天東移的角度。

下面結(jié)合當前研究內(nèi)容，以O(shè)DIN衛(wèi)星為例理解一下：

衛(wèi)星軌道面與太陽取向一致，則衛(wèi)星不像地球同步衛(wèi)星一樣隨地球自轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，即衛(wèi)星只有沿軌道方向速度，沒有沿地球自轉(zhuǎn)方向即自西向東方向旋轉(zhuǎn)速度。嚴格地說，還是有自西向東的速度的，因為地球在自西向東公轉(zhuǎn)，所以衛(wèi)星要保持軌道面與太陽取向一致，必須有一個與地球公轉(zhuǎn)一致的角速度，即360度/（365天）=0.9863度/天。

衛(wèi)星總是在相同的地方時經(jīng)過同一位置。比如，每天上午10：00經(jīng)過長春上空，每天下午4：00經(jīng)過武漢。ODIN衛(wèi)星周期為96分鐘，而一天是24*60分鐘，所以衛(wèi)星一天繞地球轉(zhuǎn)24*60/96=15圈。如此，看來，衛(wèi)星每天重復一次軌道運行，即只經(jīng)過長春或武漢一次。這樣，每一圈軌道觀測地球不同的地方，以達到觀測全球的目的，第二天上午10：00又回來觀測長春。其實，這是衛(wèi)星軌道沒變化，地球自己轉(zhuǎn)動了，衛(wèi)星一圈需時96分，地球自轉(zhuǎn)96/（24*60/360）=24度，地球有360/24=15個24度，于是，衛(wèi)星在一天繞地球轉(zhuǎn)15圈。而且，在一個短時期內(nèi)，一地區(qū)太陽照射情況不會有太大變化，所以可以對一個地區(qū)相同的太陽照射情況進行多次觀測。

ODIN衛(wèi)星軌道傾角為97.8度，如圖1所示，春分和秋分時，白天和黑夜分界線與赤道垂直，所以，軌道線北半球在白天，南半球在黑夜，即探測不到太陽輻射；夏至時，更是這樣，而且白天時離太陽更近；冬至時，與夏至相反，衛(wèi)星經(jīng)過北半球是黑夜，經(jīng)過南半球是白天。因為衛(wèi)星軌道面與太陽取向一致，所以不會出現(xiàn)，同一天或同一段短時期，不會出現(xiàn)一會兒衛(wèi)星在北半球白天南半球黑夜，一會兒又跑到北半球黑夜南半球白天的現(xiàn)象，必須換季才能出現(xiàn)這樣的情況。當然，當太陽直射南半球的時候，會出現(xiàn)衛(wèi)星在黑夜和白天分界線的位置上運行，這樣衛(wèi)星一直探測的是黎明或黃昏的太陽輻射了。

ODIN衛(wèi)星升交點為18：00，衛(wèi)星0度時在當?shù)貢r太陽落山時候，90度時當?shù)貫檎纾?80度時為當?shù)厝粘鰰r候，270度為午夜，360又為當?shù)靥栂律綍r。2

典型軌道類型地球同步軌道衛(wèi)星在順行軌道上繞地球運行時，其運行周期(繞地球一圈的時間)與地球的自轉(zhuǎn)周期相同。這種衛(wèi)星軌道叫地球同步軌道。 對應的衛(wèi)星叫地球靜止衛(wèi)星軌道。如果地球同步軌道衛(wèi)星正好在地球赤道上空離地面35786千米的軌道上繞地球運行，由于它繞地球運行的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，從地面上看去它好像是靜止的，這種衛(wèi)星軌道叫地球靜止衛(wèi)星軌道。地球靜止衛(wèi)星軌道是地球同步軌道的特例，它只有一條。4

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(wèi)星軌道平面繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。如果衛(wèi)星軌道平面繞地球自轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向和角速度與地球繞太陽公轉(zhuǎn)的方向和平均角速度相同，則這種衛(wèi)星軌道叫太陽同步軌道。簡單的說就是衛(wèi)星、太陽、地球保持三點一線。太陽同步軌道是軌道平面繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的，方向與地球公轉(zhuǎn)方向相同，旋轉(zhuǎn)角速度等于地球公轉(zhuǎn)的平均角速度(360度/年)的軌道，它距地球的高度不超過6000千米。在這條軌道上運行的衛(wèi)星以相同的方向經(jīng)過同一緯度的當?shù)貢r間是相同的。氣象衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星一般采用這種軌道。1

極地軌道傾角為90度的軌道，在這條軌道上運行的衛(wèi)星每圈都要經(jīng)過地球兩極上空，可以俯視整個地球表面。氣象衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星常采用此軌道。