[科普中国]-回归轨道

回归轨道确定

工程中回归周期的大小根据卫星的使命确定。同一个回归周期对应有很多条轨道。如回归周期为一天时，运行的轨道周期可近似为24小时、8小时……，从中可以选出合适的运行周期以满足卫星使命的要求。在回归轨道上运行的卫星，每经过一个回归周期，卫星重新依次经过各地上空。这样可以对卫星覆盖的区域进行动态监视，借以发现这一段时间内目标的变化。在轨道设计中，回归轨道仅限制轨道运行周期，若再选择其他参数，可设计出太阳同步回归轨道。这样的轨道兼有太阳同步轨道和回归轨道的特性。选择合适的发射时间，可使卫星在经过某些地区时这些地区有较好的光照条件。以获取地面图像为目的的卫星，像侦察卫星、气象卫星、地球资源卫星大都选择这种轨道。回归轨道要求轨道周期在较长时间内保持不变，因此，卫星必须具备轨道修正能力，以便能够克服入轨时的倾角偏差、周期偏差和补偿大气阻力引起的周期衰减。

太阳回归轨道近地近圆的太阳同步兼回归轨道常为地球观测卫星所采用。这是因为它既能使卫星在尽短时间内按要求图式完成对全球的视场覆盖，又能使星下点轨迹周期地重复。保证对目标的观测条件基本不变。这就使得星上遥感设 备获取的地面图象资料易于判读、处理和使用。同时又可进行对地面目标的动态监视。

所谓回归轨道，就是星下点轨迹周期地重复，在同一纬圈上相邻轨迹间距相等。它的决定性条件是轨道的半 长轴a (等效为轨道周期T)，通常是根据轨道高度范围要求和地面覆盖图式要求来选择。这里用a0表示满足要求的 选择值，重复周期D0和轨迹圈数N0都相应确定。

由于运载火箭制导精度限制，初始入轨偏差不可避免。该偏差是随机的，但在一定极限之内。它的数量级往往为实现所要求的地面覆盖图式和保证摄影特性所不容许。为此须用星上轨道调整系统消除a、i、e 的入轨偏差，保证卫星入轨。一般在预计的入轨偏差内，偏心率e的偏差同a、i的相比是一个可忽略的因素，并且在调整a的同时，可兼顾到e的改善。因此，不必对e单独进行调整。

在有轨道保持情况下，对太阳同步的控制唯一地取决于对倾角i的捕获精度。对回归轨道的控制，实质上是要控制星下点轨迹在赤道上相对标准轨迹的横向漂移S，在整个卫星使命期内，将S限制在要求范围内。1

保持方法太阳同步（准）回归轨道卫星的主要特点有两个：一是轨道面和平太阳之间的夹角保持不变，这样就可以保证卫星星下点地方时在每个轨道周期内重复；二是卫星星下点轨迹经过一定的时间间隔后具有重复性，这样就能够定期、定时地经过特定区域上空。前者实际上是对轨道面在惯性空间中的定向性提出了要求，轨道面进动角速度必须和平太阳在天球上的运动角速度相同；后者则对卫星在非惯性坐标系（地固坐标系）中的空间运动特性提出了要求，即要求卫星能够在特定时刻经过升交点。在理想状态下，即卫星初始时刻轨道参数不存在任何偏差且只考虑J2等非球摄动因素的情况下，则可以通过轨道设计直接得到符合要求的轨道参数，卫星入轨后无需任何控制就能够保持太阳同步（准）回归状态。但是，在工程实践中，太阳同步（准）回归轨道卫星多为低轨道（LEO卫星）卫星在运动中受到大气阻力摄动等耗散力的影响，卫星的机械能不断衰减，从而引起轨道特性发生变化，实际轨道和标准轨道之间的误差越来越大，因此有必要进行轨道调整来修正这种偏差。另一方面，由于太阳始终处于轨道面的同一侧，因此将产生太阳引力谐振现象，其长期作用于卫星的影响是导致轨道倾角发生漂移，从而破坏太阳同步所需要的轨道参数条件，因此必须加以考虑和控制。

太阳同步回归轨道卫星注重对地球上特定区域的定时覆盖，因此必须保证卫星在特定时刻飞过特定的经纬度，这实际是在太阳同步的基础上对卫星的相位角提出要求。为了达到以上目的，可以使用不同的量作为控制参照量。即1）升交点赤经在标称值附近；2）卫星相位角在标称值附近。只要上述条件满足，则卫星就能够满足任务设计要求。2

特性分析我国的神州系列载人飞船、环境减灾卫星星座以及国外的LANDSAT、SPOT、ENVISAT、RADARSAT等均采用回归轨道。 回归轨道的主要优点在于：在一个固定的周期内，卫星的星下点轨迹会重复经过该地区，满足对特定地面目标周期性观测的任务需求，也便于卫星测控任务的实施。低轨回归轨道卫星在轨运行期间，由于受到大气阻力的衰减影响，使得轨道半长轴逐渐变小，轨道周期变短，导致星下点轨迹偏离参考轨迹向东发生漂移，从而破坏了星下点轨迹回归所需要的轨道参数条件。

卫星在轨运行期间受地球非球形引力、大气阻力等摄动力的影响,实际运行轨道逐渐偏离标称的设计轨道，导致卫星实际的星下点轨迹偏离标称轨迹，从而影响到地面轨迹的回归特性。为了描述星下点轨迹的漂移，引入参考卫星和参考卫星星下点坐标系。参考卫星是虚拟的，仅受地球引力的作用。参考卫星星下点坐标系(SR-xRyRzR)，如图所示，原点位于参考卫星的星下点SR，星下点位置SR在地固坐标系中表示为地理经度、纬度(λR ，φR)，SRxR轴位于当地地平面内，沿当地纬度圈指向正东，SRyR轴位于当地地平面内，沿当地子午圈指向正北。