人造地球衛星在空間環繞地球運行的路徑。可用軌道半長軸、軌道偏心率、軌道傾角、升交點赤經、近地點角距和近點時刻等六個軌道要素（根數）描述。有三種分類法：(1)按軌道形狀分為圓軌道（圓心為地心）和橢圓軌道（焦點之一為地心）；(2)按軌道傾角分為赤道軌道、極地軌道和傾斜軌道；(3)按地面觀測點所見衛星運動狀況分為一般軌道、太陽同步軌道和對地靜止軌道。所謂人造地球衛星軌道就是人造地球衛星繞地球運行的軌道。這是一條封閉的曲線。這條封閉曲線形成的平面叫人造地球衛星的軌道平面，軌道平面總是通過地心的。
基本介紹
- 中文名：人造地球衛星軌道
- 外文名：Earth Orbits of Satellite
- 定義：人造地球衛星繞地球運行的軌道
- 領域：信息科學
- 套用學科：信息通信、衛星通信
- 特點：衛星起飛、衛星的壽命結束、運行軌跡、衛星質心
定義,衛星入軌的方式,分類,按衛星運行的高度,按衛星運行軌跡的偏心率,按衛星運行軌跡的傾角,地球同步軌道,地球靜止衛星軌道,太陽同步軌道,停泊軌道,回歸軌道,極軌道,攝動,宇宙速度,運行定律,名詞解釋,選擇,具體介紹,發射軌道,星際探測器的能量最省航線,太空飛行器的返回軌道,
定義
人造地球衛星軌道：從衛星起飛到衛星在軌道上運行工作，一直到衛星的壽命結束，衛星質心的運行軌跡，我們稱之為人造地球衛星軌道。很明顯，人造地球衛星軌道分為如下三個部分：
1、發射軌道：衛星從起飛到入軌，衛星質心的運動軌跡。我們稱之為發射軌道。
2、入軌點：衛星進入運行軌道稱為入軌，進入運行軌道的初始點，我們稱之為入軌點。
3、運行軌道：衛星入軌後開始運行工作，一直到工作壽命結束，衛星質心的運動軌跡我們稱之為運行軌道。
衛星入軌的方式
衛星在入軌點進入運行軌道有不同方式，我們歸納了如下三個基本類型：
1、直接入軌：將衛星直接送到預定的運行軌道。它是通過運載火箭各級發動機的接力工作，最後一級發動機工作結束後，衛星進入預定軌道。這種入軌方式適合發射低軌道的衛星。
2、滑行入軌：這種入軌方式是指，運載火箭各級發動機工作結束，脫離衛星後，衛星會依靠慣性自由飛行一段的入軌方式。滑行入軌分為發射段、自由飛行段和加速段三部分組成，適用於中高軌道和高軌道衛星的發射。
3、過渡入軌：這種入軌方式是指，運載火箭各級發動機工作結束，脫離衛星後，衛星會有一段時間處於“停泊”的狀態，然後通過加速，過渡到預定的軌道。這種入軌方式稱為過渡入軌。過渡入軌分為發射段、停泊軌道段（通常“停泊”在距地球表面200公里左右的圓軌道上）、加速段、過渡軌道段（遠地點距離地球表面36000公里的橢圓軌道）和遠地點加速段組成。這種入軌方式適用於發射同步軌道衛星。
上文中出現了遠地點的術語，大家可能會疑惑？衛星的軌道如圖1所示。看圖大家就非常容易理解了。
圖1 衛星的軌道
分類
如圖1，衛星並不是按正圓的軌跡運行。衛星軌道近似橢圓型的運行軌道。我們稱它為克卜勒橢圓軌道。
按衛星運行的高度
根據衛星運行的高度，衛星軌道分為：
1、低軌道：衛星飛行高度小於1000公里；
2、中高軌道：衛星飛行高度在1000公里到20000公里之間；
3、高軌道：衛星飛行高度大於20000公里。
按衛星運行軌跡的偏心率
根據衛星運行軌跡的偏心率，衛星軌道分為：
1、圓軌道：偏心率等於0；
2、近圓軌道：偏心率小於0.1；
3、橢圓軌道：偏心率大於0.1，而小於1.
按衛星運行軌跡的傾角
根據衛星運行軌跡的傾角，衛星軌道分為：
1、赤道軌道：傾角等於0或180；
2、極地軌道：傾角等於90；
3、傾斜軌道：傾角不等於90、0或180
還有，如果衛星軌道的周期與地球自轉周期相同，衛星運行的方向也和地球自轉的方向一致。這樣的衛星軌道我們稱它為地球同步軌道。如果該軌道的傾角為零，又是圓軌道時，我們就可以稱之為地球靜止軌道了。
如果衛星運行的方向和地球公轉的方向一致，旋轉的角速度也等於地球公轉的角速度，這樣的衛星軌道我們稱之為太陽同步軌道。
人造地球衛星軌道按離地面的高度，可分為低軌道、中軌道和高軌道；按形狀分可分為圓軌道和橢圓軌道；按飛行方向分可分為順行軌道（與地球自轉方向相同）、逆行軌道（與地球自轉方向相反）、赤道軌道（在赤道上空繞地球飛行）和極軌道（經過地球南北極上空）。人造地球衛星還有以下幾種特殊軌道。
地球同步軌道
地球同步軌道。衛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）與地球的自轉周期相同。這種衛星軌道叫地球同步軌道。
地球靜止衛星軌道
如果地球同步軌道衛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，由於它繞地球運行的角速度與地球自轉的角速度相同，從地面上看去它好像是靜止的，這種衛星軌道叫地球靜止衛星軌道。地球靜止衛星軌道是地球同步軌道的特例，它只有一條。
太陽同步軌道
太陽同步軌道。由於地球扁率（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。
停泊軌道
概述
停泊軌道(parking orbit) 太空飛行器為了轉移到另一條軌道去而暫時停留的橢圓（圓）軌道，又稱駐留軌道。
分類
停泊軌道按中心體不同分為地球停泊軌道、月球停泊軌道和行星停泊軌道。地球停泊軌道是發射月球探測器、登月載人飛船、空間探測器和離地球較遠的人造地球衛星（如靜止衛星）的一個階段，用於選擇進入過渡軌道的入軌點，以彌補地面發射場地理位置固定的缺點，滿足過渡軌道的要求。月球和行星停泊軌道用於選擇進入軌道的起點，以保證太空飛行器降落在天體表面的指定地區。對於返回地球的太空飛行器，同樣可以選擇返回軌道的起點，以保證太空飛行器能夠準確進入再入走廊。此外，安排停泊軌道還為飛往新軌道之前提供最後全面檢查太空飛行器各系統可靠性的機會。
回歸軌道
回歸軌道(recursive orbit)
星下點軌跡周期性出現重疊現象的人造地球衛星軌道。重疊出現的周期稱為回歸周期。工程中回歸周期的大小根據衛星的使命確定。同一個回歸周期對應有很多條軌道。如回歸周期為一天時，運行的軌道周期可近似為24小時、8小時……，從中可以選出合適的運行周期以滿足衛星使命的要求。在回歸軌道上運行的衛星，每經過一個回歸周期，衛星重新依次經過各地上空。這樣可以對衛星覆蓋的區域進行動態監視，藉以發現這一段時間內目標的變化。在軌道設計中，回歸軌道僅限制軌道運行周期，若再選擇其他參數，可設計出太陽同步回歸軌道。這樣的軌道兼有太陽同步軌道和回歸軌道的特性。選擇合適的發射時間，可使衛星在經過某些地區時這些地區有較好的光照條件。以獲取地面圖像為目的的衛星，像偵察衛星、氣象衛星、地球資源衛星大都選擇這種軌道。回歸軌道要求軌道周期在較長時間內保持不變，因此，衛星必須具備軌道修正能力，以便能夠克服入軌時的傾角偏差、周期偏差和補償大氣阻力引起的周期衰減。
極軌道
polar orbit
傾角為90°的人造地球衛星軌道。又稱極地軌道。在極軌道上運行的衛星，每一圈內都可以經過任何緯度和南北兩極的上空。由於衛星在任何位置上都可以覆蓋一定的區域 ，因此，為覆蓋南北極，軌道傾角並不需要嚴格的90°，只需在90°附近就行。在工程上常把傾角在90°左右，但仍能覆蓋全球的軌道也稱為極軌道。近地衛星導航系統（如美國海軍導航衛星系統）為提供全球的導航服務採用極軌道。許多地球資源衛星、氣象衛星以及一些軍事偵察衛星採用太陽同步軌道，它們的傾角與90°只相差幾度，所以也可以稱其為極軌道。還有一些研究極區物理的科學衛星也採用極軌道。
攝動
實際上地球並不是完全的正圓形，而且除了作用於衛星上的地心引力外，還有太陽和月球的引力、太陽輻射壓力等外力。這些外力會使衛星的實際運行軌道偏離克卜勒軌道。這種偏離我們稱之為軌道攝動。引起衛星軌道攝動的外力，我們稱之為攝動力。
由於攝動力的存在，即使是靜止衛星也不可能是絕對靜止的，這就需要靠地面的測控站遙控衛星上的燃氣噴射系統，調整衛星的定點確保衛星按軌道運行。
宇宙速度
物體在地球表面上飛行時，達到11.2千米/秒的運動速度，就能擺脫地球引力的束縛，這個速度叫脫離速度或逃逸速度。在擺脫地球束縛的過程中，在地球引力的作用下它並不是直線飛離地球，而是按拋物線飛行。脫離地球引力後在太陽引力作用下繞太陽運行。若要擺脫太陽引力的束縛飛出太陽系，物體的運動速度必須達到16.7千米/秒。那時將按雙曲線軌跡飛離地球，而相對太陽來說它將沿拋物線飛離太陽。人類的航天活動，並不是一味地要逃離地球。特別是當前的套用太空飛行器，需要繞地球飛行，即讓太空飛行器作圓周運動。眾所周知，必須始終有一個力作用在太空飛行器上。其大小等於該太空飛行器運行線速度的平方乘以其質量再除以公轉半徑，即F=mv2/R.在這裡，正好可以利用地球的引力。因為地球對物體的引力，正好與物體作曲線運動的離心力方向相反。宇宙速度是物體從地球出發，在天體的重力場中運動，四個較有代表性的初始速度。太空飛行器按其任務的不同，需要達到這四個宇宙速度的其中一個。 第一宇宙速度（又稱環繞速度）：是指物體緊貼地球表面作圓周運動的速度(也是人造地球衛星的最小發射速度)。大小為7.9km/s ——計算方法是V‵=gR (g是重力加速度，R是星球半徑) 。 第二宇宙速度（又稱脫離速度）：是指物體完全擺脫地球引力束縛，飛離地球的所需要的最小初始速度。大小為11.2km/s 。 第三宇宙速度（又稱逃逸速度）：是指在地球上發射的物體擺脫太陽引力束縛，飛出太陽系所需的最小初始速度。其大小為16.7千米/秒。 環繞速度和逃逸速度也可套用於其他天體。例如計算火星的環繞速度和逃逸速度，只需要把公式中的M,R,g換成火星的質量、半徑、表面重力加速度即可。
運行定律
人造地球衛星繞地球運行遵循克卜勒行星運動三定律。
（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，其運行周期取決於軌道的半長軸（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。
名詞解釋
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。軌道傾角小於90º為順行軌道；軌道傾角大於90º為逆行軌道；軌道傾角為0º則為赤道軌道；軌道傾角等於90º，則軌道平面通過地球南北極。
由於衛星和地球、太陽之間複雜的相對運動，所以要想隨時確定衛星軌道的空間位置，除應知上述半長軸、半短軸和軌道傾角參數以外，還需要了解升交點赤經和近地點幅角兩個參數。
為要說清升交點赤徑和近地點幅角的物理含義，先應了解春分點和升交點兩個概念。
在地球和太陽的相對運動中，如果假定地球不動，則太陽繞地球運行，當太陽從地球的南半球向北半球運行時，穿過地球赤道平面的那一點叫春分點。
人造地球衛星繞地球運行，當它從地球南半球向北半球運行時，穿過地球赤道平面的那一點叫升交點。
所謂升交點赤經（Ω）就是從春分點到地心的連線與從升交點到地心的連線的夾角。
所謂近地點幅角（ω）就是從升交點到地心的連線與從近地點到地心的連線的夾角。
半長軸（a）、偏心率（e）、傾角（i）、升交點赤經（Ω）和近地點幅角（ω）被稱為人造地球衛星軌道的5要素（或根數）。要知道衛星的瞬時位置，還必須測量它過近地點的時間（z）。有時，把上述6個參數合稱為人造地球衛星軌道的6要素。
人造地球衛星在軌道上的每一個位置都會在地球表面上有一個投影，它叫星下點。所有星下點連成的曲線叫星下點軌跡。由於地球自轉，星下點軌跡不只一條。相鄰兩條軌跡在同一緯度上的間隔正好等於地球在衛星軌道周期內轉過的角度。根據星下點軌跡，可以預報衛星什麼時候從什麼地方上空經過。
特殊軌道的衛星星下點軌跡也是特殊的，如地球靜止軌道衛星的星下點軌跡是一個點，而地球同步軌道衛星的星下點軌跡，則是一個“8”字，其交*點在地球赤道上。
星下點： 地球中心與天體的連線在地球表面上的交點。在遙感中星下點指的是人造地球衛星在地面的投影點（或衛星和地心連線與地面的交點），用地理經、緯度表示。當衛星在星下點進行攝像時，影像的幾何畸變最小。
選擇
人造地球衛星的軌道應根據其任務和套用要求來選擇。例如，對地面攝影的地球資源衛星、照相偵察衛星常採用圓形低軌道；若為了儘量擴大空間環境探測的範圍，衛星可採用扁長的橢圓形軌道；為了節省發射衛星的能量，衛星常採用赤道軌道和順行軌道；對固定地區進行長期連續的氣象觀測和通信的衛星，常採用地球靜止衛星軌道；需對全球進行反覆觀測的衛星可採用極地軌道，要使衛星始終在同一時刻飛過地球某地上空，也就是說要使衛星始終在相同的光照條件下經過同一地區，則需要採用太陽同步軌道。
具體介紹
發射軌道
人造地球衛星由運載火箭發射入軌。從發射點到入軌點的飛行軌跡叫發射軌道。發射軌道包括垂直起飛段、程式轉彎段和入軌段。垂直起飛段和程式轉彎段都大同小異，但入軌段根據軌道高度的不同有直接入軌、滑行入軌和過渡轉移入軌之分。
低軌道衛星一般直接入軌，即火箭連續工作，當最後一級火箭發動機關機時，衛星就可進入預定軌道。
中、高軌道衛星常常滑行入軌。其發射軌道由火箭發動機工作時的主動段、發動機關機後*慣性飛行的滑行段和發動機再次工作時的加速段組成。
地球靜止軌道衛星常常採用過渡轉移軌道入軌。它因火箭的級數不同而有差異。對於三級火箭來說，過程一般如下。
第一、二級火箭紅主動段、停泊軌道和加速段，將衛星連同火箭上面級送入200-400千米的停泊軌道。當飛經赤道上空時火箭上面級點火，把衛星送入近地點與停泊軌道高度相同、遠地點為35786千米的大橢圓轉移軌道。衛星在轉移軌道上運行時，地面測控站要精確測量它的姿態和軌道參數，並隨時調整它的姿態偏差。當衛星在預定的點火圈運行到遠地點時，地面測控站發出指令，讓衛星上的遠地點發動機點火，使衛星提高飛行速度，並改變飛行方向，進入地球同步軌道。如要進入地球靜止軌道，則需用衛星上的小推力發動機調整它的運行速度，使它慢慢地到達預定的經度上空。這一過程叫衛星定點。
星際探測器的能量最省航線
飛向太陽系其他天體的太空飛行器叫行星控測器。行星控測器的飛行軌跡叫航線（或軌道）。要飛向其他天體，必須達到擺脫地球引力的第二宇宙速度，航行器以拋物線軌跡飛離地球，然後在太陽引力作用下以圓軌道繞太陽飛行。如它大於第二宇宙速度而小於第三宇宙速度，又是沿地球公轉方向飛行，由於它比環繞太陽飛行所需要的速度大，因而在近日點入軌後，便在地球軌道外側的橢圓軌道繞太陽飛行。速度愈大，橢圓軌道愈扁長，到達的距離就愈遠。因此，選擇不同的初速度，可使探測器到達火星、木星……冥王星等地外行星及其衛星。如果是沿地球公轉相反的方向飛行，控測器在遠日點入軌後，將在太陽引力作用下在地球軌道內側的橢圓軌道上繞太陽飛行，可與金星、水星等地內行星相遇。如果達到第三宇宙速度，則它以雙曲線軌道飛離地球，而以拋物線軌跡飛離太陽。選擇適當的發射時間，它也可與地外行星相遇。
由上可知，飛向太陽系其他天體的航線（軌道）不只一條。由於各種軌道所要求的初始速度不同，而初始速度最小則能量最省，因而初始速度最小的軌道被稱為能量最省軌道。
飛向行星的能量最省航線只有一條，這就是與地球軌道及目標行星軌道同時相切的雙切橢圓軌道。它是奧地利科學家霍曼在1925年首先提出來的，因而又叫“霍曼軌道”。霍曼軌道以太陽為一個焦點，遠日點（或近日點）和近日點（或遠日點）分別位於地球軌道和目標行星軌道上。軌道的長軸則等於地球軌道半徑與目標行星軌道半徑之和。
用能量最省航線飛向遠距離行星的時間太漫長，如飛向冥王星約需46年。為節省時間，需採用其他航線，或者在航程中用自備動力加速，或者藉助其他行星的引力加速，但這樣一來，其軌跡不再是單純的橢圓、拋物線或雙曲線了。飛向月球的航線與飛向行星的航線類似。
在實際套用中，為了克服火箭發射場地理位置的局限，飛向月球和行星的探測器一般先進入繞地球飛行的過渡軌道，然後在合適的方位上加速進入預定航線。
太空飛行器的返回軌道
根據太空飛行器在返回軌道上所受阻力和升力的情況，其返回軌道可分為彈道式、半彈道式和滑翔式（升力式）。
彈道式返回軌道。太空飛行器脫離運行軌道進入返回軌道後，在再入大氣層時只受阻力作用而不產生升力，因而速度快，空氣動力過載大，落點無法調整和控制，可能產生較大的落點偏差。美蘇早期的飛船和我國的返回式衛星採用這種返回軌道。
半彈道式返回軌道。太空飛行器在再入大氣層後，除了阻力外，還會產生部分升力。只要適當控制它們的滾動角，就可控制升力方向，小範圍地改變飛行路徑，適當調整落點距離，使落點比較準確，空氣動力過載也較小，一般為4～5g。蘇聯的聯盟號飛船和美國的雙子星座號飛船都是採用這種返回軌道。
滑翔式返回軌道。太空梭等有很大機翼的飛行器，它們在再入大氣層後，會產生很大的升力，因而可以調節縱向和橫向距離，準確地降落在跑道上，空氣動力過載很小，只有2g左右。
