2.3　卫星的轨道

卫星轨道是指从运载火箭与卫星分离开始到卫星返回地面为止，卫星质心的运动轨迹，但通常是指卫星在太空长期运行的轨道。

有些轨道是椭圆形（或圆形）的，具有周而复始性，人造地球卫星在入轨后的运行轨道就是这种；有些轨道则是双曲线形（或抛物线）的，一去不返，如飞往其他行星的轨道。具体的轨道形式取决于卫星/火箭分离点的位置和速度。根据分类不同和卫星承担的任务的不同，卫星轨道可以有多种划分方式（图2-5）。

（1）圆轨道和椭圆轨道

不同的轨道高度有不同的圆轨道速度，如果入轨速度方向和当地水平线平行，且达到相应的速度，就可以形成圆轨道。入轨速度大小和方向，这两个条件只要有一个不满足，就会形成椭圆轨道，严重的甚至不能形成轨道而进入大气层陨毁。因此，实际运动中的卫星轨道没有一条是偏心率正好等于0的圆轨道。但是为了设计和计算上的方便，把偏心率小于0.1的轨道近似地看作圆轨道或近圆轨道，除此之外都是椭圆轨道。

（2）顺行轨道和逆行轨道

轨道的顺行和逆行是以卫星的飞行方向来区分的。从北极看，凡卫星飞行方向和地球自转方向相同的轨道就是顺行轨道，与此相反的叫逆行轨道。从运载火箭发射方向看，凡向东或东北或东南方向发射的卫星，形成的轨道将是顺行轨道；向西、西北或西南方向发射的卫星将形成逆行轨道。

（3）极轨道与赤道轨道

轨道平面与地球赤道平面的夹角称为轨道倾角（图2-6）。轨道倾角在90°附近的轨道叫极轨道。轨道倾角为0°（顺运行）或180°（逆运行）的轨道叫作赤道轨道。

在极轨道上运行的卫星每圈都经过南北两极，气象卫星、地球资源卫星常采用这种轨道，以便俯瞰包括两极在内的整个地球表面，实现全球覆盖。我国发射的“嫦娥”一号月球探测器采用的就是极轨道。

（4）低轨道、中轨道与高轨道

习惯上，把卫星飞行高度（距离海平面）小于2000千米的轨道称为低轨道（又称近地轨道），但考虑到大气阻力的缘故，卫星轨道通常不低于300千米。在低轨道运行的航天器轨道周期通常在2小时以内。低轨道通常用于地球观察卫星、侦察卫星、遥感卫星，“哈勃”太空望远镜、载人航天器也处于低轨道。载人航天器的轨道高度通常在300～400千米。

通常把卫星飞行高度在2000～35786千米的轨道称为中轨道，轨道周期在2～24小时。导航卫星、通信卫星、空间环境科学卫星通常都使用中轨道。20000千米高度的中轨道最为常用，像GPS全球定位系统、“伽利略”卫星导航系统、“格洛纳斯”卫星导航系统等的轨道高度就在此附近。

卫星飞行高度大于35786千米的轨道称为高轨道，轨道周期大于24小时。高轨道通常为通信卫星所使用。

各种轨道的运行高度、运行半径和运行周期如图2-7所示。

（5）地球同步轨道

运行周期与地球自转周期相同的顺行轨道就是地球同步轨道（图2-8）。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地方。

如果这种轨道的平面与赤道平面的夹角接近0°，则在地面上的人看，在这种轨道上运行的卫星是静止不动的，所以称为地球静止轨道，在地球静止轨道上运行的卫星为静止卫星。静止卫星距地面35786千米，飞行速度为3.07千米/秒。

地球同步轨道的精度要求很高，稍有偏差卫星就会漂离静止位置，因此要求卫星必须具有轨道修正能力。

地球同步轨道广泛应用于通信卫星、广播卫星、气象卫星、数据中继卫星等方面。一颗静止卫星可以覆盖地球表面约40％的面积，因此理论上有3颗卫星就能覆盖全球（除两极地区）。

此外，还有太阳同步轨道，在此不作详细介绍。

（6）地球同步转移轨道

地球同步转移轨道是指近地点在1000千米以下、远地点为地球同步轨道高度（35768千米）的椭圆轨道（图2-9）。

这种轨道是作为地球同步轨道或地球静止轨道的转移轨道。在发射地球同步卫星时，首先使卫星进入这种椭圆轨道，然后在远地点启动卫星上的变轨发动机，使其变到所需的目标轨道上。

在发射月球飞船时，也可先将飞船发射至地球同步转移轨道，然后在近地点用飞船发动机给飞船加速。由于飞船在地球同步转移轨道的近地点时速度很大，要把它的轨道变为地月转移轨道，只需在近地点提供较小的速度增量，这与将近地圆形停泊轨道变成地月转移轨道相比，大大减小了对速度增量的需求。

在火箭性能方面，常以地球同步转移轨道运载能力作为指标，该运载能力较直接运送至地球静止轨道的数值大。以美国“德尔塔”Ⅳ型重型火箭为例，其地球同步转移轨道运载能力为12757千克，而地球静止轨道运载能力仅为6276千克（图2-9）。

此外，还有地月转移轨道和地火转移轨道，在此不作详细介绍。