從末級火箭推力中止到人造衛星隕落（或返回地面）前，人造地球衛星質心的運動軌跡。它決定於入軌點的位置和入軌速度。運行軌道是一條與克卜勒橢圓軌道（見二體問題）相差很小的複雜曲線。常用克卜勒橢圓軌道來描述衛星的大致運動。在這一基礎上，可以用軌道攝動的方法，進一步求出運行軌道的精確解，得到衛星位置和速度的準確預報，以滿足衛星工程的需要。
基本介紹
- 中文名：人造地球衛星運行軌道
- 外文名：orbit of artificial earth satellite
- 相關理論：地球引力場等
- 類型：航天航空
名稱,相關理論,地球引力場,軌道主要攝動,逆行軌道,特徵,主要套用,赤道軌道,特點,地位,極地軌道,順行軌道,特點,國內套用情況,
名稱
人造地球衛星運行軌道(orbit of artificial earth satellite)
人造地球衛星運行軌道克卜勒橢圓軌道
衛星在克卜勒橢圓軌道上運行時，滿足二體問題運動規律。只要知道 6個常數（即軌道要素）就能確定衛星的運動。衛星在橢圓軌道上運動一圈的時間稱為軌道周期，周期的長短與半長軸有關。半長軸相同的軌道，其周期也相同。在橢圓軌道上運動時，衛星的地心距離和速度都在變化。距地心最近點 P為近地點，最遠點 A為遠地點。近地點和遠地點又統稱為拱點。近地點和遠地點的地心距離之和是半長軸的二倍。衛星的速度僅與地心距離有關，滿足活力公式（見太空飛行器軌道速度）。在近地點時速度最大，遠地點時速度最小。衛星在軌道上運行時地球也在自轉，當衛星回到軌道上的同一點時，不一定回到地球同一地區的上空。
相關理論
地球引力場
由於地球形狀不規則，質量分布也不均勻，對於衛星所受到的吸引力不能用簡單表達式描寫，常用無窮級數展開式描述。這個級數收斂很慢，說明地球引力是很複雜的。這個力僅與衛星的位置有關，屬於保守力。衛星受到的引力加速度是位函式的方嚮導數。而位函式的表達式是：
式中r、λ、φ在描寫衛星位置的球坐標中分別為地心距離、地心經度、地心緯度；Re為地球赤道平均半徑；μ為地球引力常數；Pn(sinφ)是自變數sinφ的n階勒讓德多項式，P嬘(sinφ)是m次n階的締合勒讓德多項式；Jn、Jnm、λnm是與地球形狀及密度分布有關的常數。J2值為1.08263×10-3，其他係數都在10-6量級。位函式的項可以分為三類：
①位函式的第一項是球形地球的引力項。如僅有這一項，衛星運動軌道為克卜勒橢圓軌道。
②勒讓德多項式項稱為帶諧項。帶諧項只與衛星所處的緯度有關，反映地球的旋轉對稱性。J2項表示地球是一個旋轉橢球體，其赤道半徑比極半徑長21.4公里。J2項是主要項，常稱為地球扁率攝動。J3項反映地球南北不對稱，南半球比北半球大，北極突出而南極凹進，呈梨形。
③締合勒讓德多項式項稱為田諧項。田諧項與衛星的經度和緯度都有關。對於一般衛星的運動，經度值變化為周期性，影響互相抵消。對於同步衛星，尤其是靜止衛星，經度變化很小，田諧項的影響才比較明顯。J22項反映地球赤道也是一個橢圓，這個橢圓的長軸只比短軸長138米。長軸約在東經162°和西經18°方向，短軸約在東經72°和西經108°方向，這一項對地球靜止衛星軌道的攝動已不可忽略。
軌道主要攝動
人造地球衛星的實際運行軌道並不是克卜勒軌道。由於攝動力的影響，衛星的運動軌道比較複雜。按攝動理論，軌道要素不再是常數。根據軌道要素的變化特點，軌道攝動可以分為長期攝動、長周期攝動、短周期攝動（見太空飛行器軌道攝動）。長期攝動與時間成正比，引起人們特別注意，人造地球衛星軌道的主要長期攝動有：
①地球扁率引起軌道面繞地球自轉軸均勻旋轉，稱為軌道面的進動。當軌道傾角小於90°時，從北極看，進動是順時針方向;大於90°時，進動方向是逆時針的；等於90°時，則不轉動。進動角速率與軌道長軸、偏心率、傾角有關。
②地球扁率引起橢圓長軸在軌道面內均勻轉動。轉動角速率用近地點幅角的變化率表示。在傾角小於63.4°或大於 116.6°時，近地點幅角均勻增加。在63.4°與116.6°之間時，均勻減小。等於63.4°或116.6°時，不轉動。63.4°和116.6°稱為臨界傾角。
③地球扁率引起平近點角的長期變化。衛星在橢圓上運動的平均角速率為360°/T，T為周期。平近點角是衛星經過近地點後以平均角速度運動時所轉過的角度，用M表示。這是一個理論角，常用來代替過近地點時刻，而作為軌道要素之一。平近點角的長期變化與軌道大小、偏心率和近地點位置有關，衛星飛行時間越長，變化越大。
④大氣阻力引起軌道半長軸和偏心率同時衰減，這項長期攝動關係到近地衛星的軌道壽命。
周期攝動和短周期攝動使軌道要素呈周期性變化。在精確計算軌道時也須考慮。軌道攝動給計量軌道周期帶來麻煩，結果出現幾種不同用處的周期。如交點周期是從升交點到再次經過升交點的時間間隔；近點周期是飛行器經過相鄰兩個近地點的時間間隔；恆星周期是用長半軸根據克卜勒第三定律計算出的周期。這三個周期互不相同，彼此可以換算。軌道攝動使得軌道計算複雜化，有些攝動需要設法避免其影響。例如，蘇聯的“閃電”號通信衛星傾角選為臨界角，避免了遠地點位置的移動，使得遠地點始終在蘇聯領土上空，這樣可保持蘇聯國內通信時間較長。有時人們也利用攝動力來得到所需要的軌道變化。例如利用軌道面的長期旋轉設計出太陽同步軌道，利用大氣阻力使衛星返回地面。根據衛星使命選擇合適的軌道是軌道設計的主要任務長。
人造地球衛星運行軌道
人造地球衛星運行軌道根據軌道變化規律可以設計出像太陽同步軌道、地球靜止衛星軌道、極軌道、回歸軌道等實用的軌道。為了保持軌道精度，衛星需要裝設軌道控制系統，用來克服入軌誤差和抵消攝動力的影響。
逆行軌道
特徵
逆行軌道的特徵是軌道傾角大於90度。欲把衛星送入這種軌道運行，運載火箭需要朝西南方向發射。不僅無法利用地球自轉的部分速度，而且還要付出額外能量克服地球自轉。因此，除了太陽同步軌道外，一般都不利用這類軌道。
由於地球表面不是理想的球形，其重力分布也不均勻，使衛星軌道平面在慣性空間中不斷變動。具體地說，地球赤道部分有些鼓漲，對衛星產生了額外的吸引力，給軌道平面附加了1個力矩，使軌道平面慢慢進動，進動方向與軌道傾角有關。當軌道傾角大於90度時，力矩是逆時針方向，軌道平面由西向東進動。適當調整衛星的軌道高度、傾角和形狀，可使衛星軌道平面的進動角速度每天東進0.9856度，恰好等於地球繞太陽公轉的日平均角速度，這就是套用價值極大的圓形太陽同步軌道。
主要套用
在太陽同步軌道上運行的衛星，可在相同的時間和光照條件下觀察衛星雲層和地面目標。氣象、資源、偵察等套用衛星大多採用這類軌道。我國用長征四號火箭發射的2顆風雲一號氣象衛星和2顆測量大氣密度的地球衛星，用長征四號2火箭發射的1顆風雲一號氣象衛星、1顆中國和巴西合制的資源一號衛星、1顆中國資源二號衛星、1顆實踐五號科學試驗衛星，都採用這種軌道。它們都是從太原發射中心升空的。長四乙火箭在發射資源一號衛星時，還用1箭雙星的方式把1顆巴西小型科學套用衛星送入太陽同步軌道。
赤道軌道
特點
赤道軌道的特點是軌道傾角為0度，衛星在赤道上空運行。這種軌道有無數條，但其中的一條地球靜止軌道具有特殊的重要地位。由於衛星飛行速度隨距地面的高度而變化，軌道越高，速度越小，環繞周期越長，故由計算可知，當其在赤道上空35786公里高的圓形軌道上由西向東運行1周的時間，恰好是23小時56分4秒，正與地球自轉一周的時間相同，這條軌道就被稱為地球靜止軌道。重要地位--世界上主要的通信衛星都分布在這條軌道上因為衛星環繞周期等於地球自轉周期，兩者方向又一致，故相互之間保持相對靜止。從地面上看，衛星猶如固定在赤道上空某一點。在靜止軌道上均勻分布3顆通信衛星即可進行全球通信的科學構想早已變為現實。
地位
世界上主要的通信衛星都分布在這條軌道上。有的氣象衛星、預警衛星也被送入靜止軌道。中國用長征三號火箭先後發射了1顆試驗衛星、5顆東方紅二號系列通信衛星、2顆風雲二號氣象衛星、用長征三號甲火箭發射了1顆實踐四號探測衛星、2兩顆東方紅三號通信衛星、1顆中星22號通信衛星，這些衛星中有10顆進入靜止軌道預定位置。發射這類衛星，星上要攜帶遠地點發動機，運載火箭把衛星送入大橢圓同步轉移軌道後，地面再發出指令，讓星上遠地點發動機點火，將衛星移入靜止軌道。
極地軌道
就衛星軌道類型來說，還有一種軌道傾角為90度的極地軌道。它是因軌道平面通過地球南北兩極而得名。在這種軌道上運行的衛星可以飛經地球上任何地區上空。中國雖未研製運行於此類軌道的衛星，但發射過此類軌道的衛星。長征二號丙改進型火箭以1箭雙星的方式6次從太原起飛，把12顆美國銥星送入太空，就屬於這種發射方式。
順行軌道
特點
順行軌道的特點是軌道傾角即軌道平面與地球赤道平面的夾角小於90度。在這種軌道上運行的衛星，絕大多數離地面較近，高度僅為數百公里，故又將其稱為近地軌道。我國地處北半球，要把衛星送入這種軌道，運載火箭要朝東南方向發射，這樣能夠利用地球自西向東自轉的部分速度，從而可以節約火箭的能量。地球自轉速度可以通過赤道自轉速度、發射方位角和發射點地理緯度計算出來。不難想像，在赤道上朝著正東方向發射衛星，可利用的速度最大，緯度越高能用的速度越小。
