[科普中国]-太阳同步轨道

简介

同步轨道计算要素所谓太阳同步轨道是指卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向。由于这种轨道的倾角接近90°，卫星要在极地附近通过，所以又称它为近极地太阳同步卫星轨道。为保持轨道平面始终与太阳保持固定的取向，在卫星随地球绕太阳公转时，轨道平面每天要自西向东作大约1°的转动。但是若地球是个均匀球体，当地球绕太阳公转时，轨道平面随地球作平动，则轨道平面不能保持与太阳有固定的取向。事实上由于地球是个扁椭球体，这种扁椭球体上的各点对卫星的引力不等，使卫星的轨道平面绕地轴朝着与卫星运动相反方向旋转，即轨道平面的进动。若选定合适的倾角（大于90°）使卫星轨道平面的进动为1°，正好使轨道平面与太阳始终保持固定的取向。这样就实现了太阳同步轨道。在这种轨道上的卫星以固定的地方时观测地球大气，有较固定的光照条件。对获取可用的资料、资料的接收、轨道的计算等都十分方便。 如果让卫星轨道平面在空间的转动与太阳在空间的视运动一致，则卫星轨道称为太阳同步轨道。卫星称为太阳同步卫星。这时太阳视线与卫星轨道平面的夹角不变，当卫星每次飞越某地上空时，太阳都是从同一角度照射该地，亦即，卫星每次都在同一当地时间经过该地，这对照相侦察卫星、气象卫星、资源卫星都很有利，因为每次对某地拍摄的照片都是在同一照度下取得的，通过对比，可以获得更多的信息。轨道平面绕地球自转轴旋转的方向与地球公转方向相同、旋转角速度等于地球公转的平均角速度(0.9856度/天或360度/年）的人造地球卫星轨道。从太阳同步轨道的半长轴、偏心率和倾角须满足的数学公式可知，该轨道的倾角大于90°，即为一条逆行轨道。其高不会超过6000千米。太阳光对于这种轨道的轨道面的入射角在一年内的变化最小。此外，在太阳同步轨道上运行的卫星，以相同方向经过同一纬度时的当地时间（地方平太阳时）相同，因此卫星在经过同纬度地时是有相近的光照条件。大多数利用太阳能电池作为电源或带有可见光遥感器的长寿命遥感卫星都采用太阳同步轨道。通常还用卫星过降交点时的当地时间作为太阳同步轨道的一个重要参数，称为降交点地方（平太阳）时。23

计算公式轨道平面绕地球自转轴旋转的方向与地球的公转方向相同、旋转角速度等于地球公转的平均角速度（即0.9856°/d或360°/a）的人造地球卫星轨道。太阳同步轨道的半长轴α、偏心率e和倾角i;这3个轨道要素必须满足以下关系式：

Cosi=-4.7737×10-15 (1-e)2a(7/2)

式中a的单位为km。由该式可知，太阳同步轨道的倾角必须大于90°，即它是一条逆行轨道。在圆轨道时，倾角最大为180°，所以太阳同步轨道的高度不会超过6000km。在太阳同步轨道上运行的卫星，从相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的。例如，卫星最初由南向北（升段）经过北纬40°上空是当地时间早晨8点。由于地球公转，即使地方时相同，不同季节的地面光照条件也有明显差别。但在一段不长的时间内光照条件可视为大致相同。选择适当的发射时间，可以使卫星经过一些地区时，这些地区始终有较好的光照条件，这样卫星在这些地区的上空始终处于太阳光的照射下，不会进入地球阴影，太阳电池可以充足供电而不会中断。倾角大于90°的太阳同步轨道还兼有极轨道的特点，可以俯瞰整个地球表面。气象卫星、地球资源卫星一般都选取太阳同步轨道，以使拍摄的地面目标图像最好。太阳同步轨道的精度要求很高。为了较长时间保持与太阳“同步”，卫星需要配备轨道控制系统，用于修正轨道误差和不断克服摄动力的影响。33

理论定义太阳同步轨道的理论定义是：轨道平面进动方向与地球公转方向大致相同，进动角速率等于地球公转平均角速率（0.9856度/日或360度/年）的人造地球卫星轨道。其实，说简单一点，就是能保证卫星每天以相同方向经过同一纬度的当地上空的轨道。因为，我们知道，卫星运行的周期是由的处的轨道决定的，因此，这样的轨道是可以确定的。

选择太阳同步轨道，能保证卫星每天在特定的时刻经过指定地区，这当然便于我们获得最好的太阳光条件，从而得到高质量的地面目标图像，这就是气象卫星、资源卫星通常选择太阳同步轨道的原因。茫茫星空，有心人会发现，有些卫星几乎总是在同一时刻出现的天空中的同一位置，奇怪吗？其实一点也不奇怪，因为它们处在地球同步轨道上。所谓地球同步轨道，就是沿这个轨道走一圈所需的时间恰好与地球自转的周期（23小时56分4秒）相同。也许有人会说，那么如果走得速度快慢不一，那得到的时间不也就不同了吗。其实，按照天体运行规律，每条轨道上运行的物体的速度是固定的。因此，不用担心会出现时间上的不一致性。

那么，地球同步轨道有什么用呢？设想一下，如果我们想每天监视地球上的同一个地方，我们的卫星该放在哪儿？当然是地球同步轨道。再如象俄罗斯，它处于高轨地区，常用的静止轨道卫星无法覆盖，如果想实现卫星通信，太阳同步轨道是再好的选择。事实上，俄罗斯的“闪电”通信卫星也正是这样选择运行轨道的3

运行要素轨道平面绕地球自转轴旋转的方向与地球公转方向相同、旋转角速度等于地球公转的平均角速度(即0.9856度/天或360度/年)的人造地球卫星轨道。太阳同步轨道的半长轴、偏心率和倾角这三个轨道要素须满足下式： cosi=-4.7736×10-15(1-e2)2a7/2式中a为轨道半长轴，e为偏心率，i为倾角。由公式可以得知：太阳同步轨道的倾角必须大于90°，即它是一条逆行轨道。在圆轨道时，倾角最大为180°,所以太阳同步轨道的高度不会超过6000公里。

在太阳同步轨道上运行的卫星，以相同方向经过同一纬度的当地时间是相同的。例如卫星由南向北（升段）经过北纬40°上空是当地时间早晨8点,以后升段经过北纬40°都是当地时间早晨8点。由于地球公转,即使时间相同，不同季节的地面光照条件也有明显差别。但是在一段不长的日子里光照条件大致相同。选择适当的发射时间，可以使卫星经过一些地区时这些地区始终具有比较好的光照条件，并且卫星在这些地区的上空始终处在太阳光的照射下，不会进入地球阴影，这时太阳电池可以充足供电而不会中断。倾角稍大于90°的太阳同步轨道还兼有极轨道的特点，可以俯瞰整个地球表面。

气象卫星、地球资源卫星和照相侦察卫星一般都取太阳同步轨道，以使拍摄的地面目标的图像最好。太阳同步轨道对于轨道的精度要求较高，为了较长时间都能与太阳“同步”，卫星需要设有轨道控制系统，用于修正轨道误差和不断克服摄动力影响（见轨道保持）。

开普勒人造地球卫星绕地球运行遵循开普勒行星运动三定律。（1）卫星轨道为一椭圆，地球在椭圆的一个焦点上。其长轴的两个端点是卫星离地球最近和最远的点，分别叫做远地点和近地点。（2）人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行时，其运行速度是变化的，在远地点时最低，在近地点时最高。速度的变化服从面积守恒规律，即卫星的向径（卫星至地球的连线）在相同的时间内扫过的面积相等。（3）人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行，其运行周期取决于轨道的半长轴（与半长轴的二分之三次方成正比）。不管轨道形状如何，只要半长轴相同，它们就有相同的运行周期。人造地球卫星轨道的形状和大小由它的半长轴和半短轴的数值来决定。其半长轴和半短轴的数值越大，轨道越高；半长轴与半短轴相差越多，轨道的椭圆形越扁长；并长轴与半短轴相等则为圆形轨道。

卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角叫轨道倾角，它是确定卫星轨道空间位置的一个重要参数。轨道倾角小于90o为顺行轨道；轨道倾角大于90o为逆行轨道；轨道倾角为0o则为赤道轨道；轨道倾角等于90o，则轨道平面通过地球南北极。

就是通过地球南北极的卫星轨道平面，每天向东移动0.9856度,这个角度正好是地球绕太阳公转每天东移的角度。轨道高度在700千米至1000千米之间,运行于此轨道的卫星。卫星总是在相同的当地时间从相同的方向经过同一纬度，例如卫星从南向北经过北纬40度的当地时间是清晨8点，以后也总是在当地时间早8点由南向北经过北纬40度，这样的卫星像太阳一样，在同一季节里，总是在当地同一时间从相同方向出现，因此称为太阳同步卫星。这类卫星的特点是：只要设计好轨道、发射时间，就可以使某一地区在卫星经过时总处于阳光照射下，太阳能电池不会中断工作，可以拍摄下最好的图像，资源卫星、照相卫星、气象卫星多属此类。

卫星举例太阳同步轨道卫星，轨道倾角大于90度且在两极附近通过，所以也为近极轨卫星，它的轨道面与太阳的取向一致，所以叫太阳同步卫星。每天向东移动0.9856度,这个角度正好是地球绕太阳公转每天东移的角度。

下面结合当前研究内容，以ODIN卫星为例理解一下：

卫星轨道面与太阳取向一致，则卫星不像地球同步卫星一样随地球自转而转动，即卫星只有沿轨道方向速度，没有沿地球自转方向即自西向东方向旋转速度。严格地说，还是有自西向东的速度的，因为地球在自西向东公转，所以卫星要保持轨道面与太阳取向一致，必须有一个与地球公转一致的角速度，即360度/（365天）=0.9863度/天。

卫星总是在相同的地方时经过同一位置。比如，每天上午10：00经过长春上空，每天下午4：00经过武汉。ODIN卫星周期为96分钟，而一天是24*60分钟，所以卫星一天绕地球转24*60/96=15圈。如此，看来，卫星每天重复一次轨道运行，即只经过长春或武汉一次。这样，每一圈轨道观测地球不同的地方，以达到观测全球的目的，第二天上午10：00又回来观测长春。其实，这是卫星轨道没变化，地球自己转动了，卫星一圈需时96分，地球自转96/（24*60/360）=24度，地球有360/24=15个24度，于是，卫星在一天绕地球转15圈。而且，在一个短时期内，一地区太阳照射情况不会有太大变化，所以可以对一个地区相同的太阳照射情况进行多次观测。

ODIN卫星轨道倾角为97.8度，如图1所示，春分和秋分时，白天和黑夜分界线与赤道垂直，所以，轨道线北半球在白天，南半球在黑夜，即探测不到太阳辐射；夏至时，更是这样，而且白天时离太阳更近；冬至时，与夏至相反，卫星经过北半球是黑夜，经过南半球是白天。因为卫星轨道面与太阳取向一致，所以不会出现，同一天或同一段短时期，不会出现一会儿卫星在北半球白天南半球黑夜，一会儿又跑到北半球黑夜南半球白天的现象，必须换季才能出现这样的情况。当然，当太阳直射南半球的时候，会出现卫星在黑夜和白天分界线的位置上运行，这样卫星一直探测的是黎明或黄昏的太阳辐射了。

ODIN卫星升交点为18：00，卫星0度时在当地时太阳落山时候，90度时当地为正午，180度时为当地日出时候，270度为午夜，360又为当地太阳下山时。2

典型轨道类型地球同步轨道卫星在顺行轨道上绕地球运行时，其运行周期(绕地球一圈的时间)与地球的自转周期相同。这种卫星轨道叫地球同步轨道。 对应的卫星叫地球静止卫星轨道。如果地球同步轨道卫星正好在地球赤道上空离地面35786千米的轨道上绕地球运行，由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，从地面上看去它好像是静止的，这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道。地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例，它只有一条。4

太阳同步轨道由于地球扁率(地球不是圆球形，而是在赤道部分隆起)，卫星轨道平面绕地球自转轴旋转。如果卫星轨道平面绕地球自转轴的旋转方向和角速度与地球绕太阳公转的方向和平均角速度相同，则这种卫星轨道叫太阳同步轨道。简单的说就是卫星、太阳、地球保持三点一线。太阳同步轨道是轨道平面绕地球自转轴旋转的，方向与地球公转方向相同，旋转角速度等于地球公转的平均角速度(360度/年)的轨道，它距地球的高度不超过6000千米。在这条轨道上运行的卫星以相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的。气象卫星、地球资源卫星一般采用这种轨道。1

极地轨道倾角为90度的轨道，在这条轨道上运行的卫星每圈都要经过地球两极上空，可以俯视整个地球表面。气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星常采用此轨道。