人造地球卫星为何能按预定轨道运行

由于人造地球卫星是一种无人航天器，所以无法像载人飞船那样由航天员操纵来控制其飞行轨道，它主要靠跟踪遥控或自动控制的方式来使卫星按预定的轨道运行。

1 无人驾驶的秘密

要想使人造地球卫星在预定的轨道运行，首先要用运载火箭把人造地球卫星尽可能精确地送入预定的轨道，使它有较高的速度，然后靠惯性飞行。其关键是要掌握好卫星和火箭分离并开始进入轨道那一瞬时的速度和方向。

卫星速度的大小主要决定于运载火箭的推力和级数，推力越大，级数越多，速度也就越快。另外，根据卫星的用途和功能等不同，每种卫星的运行轨道高度也有很大差别，有的卫星需要运行在低轨道，有的则需要运行在中轨道或高轨道。这就要求火箭把卫星发射到所要求的轨道高度，其入轨精度也随轨道高度不同而不同。例如，要使卫星在250km高的轨道上运行，若要求高度误差不超过10km，那么卫星进入轨道时的速度误差需小于0.02%，角度误差需小于2.3°(1个圆周为360°)。

卫星进入轨道的方向实际上就是火箭与卫星分离时的飞行方向，该方向可以由地面通过无线电信号来控制的。火箭与卫星分离后，由于惯性和地心引力的作用，卫星会按一定的轨道继续运行，这时通过卫星跟踪测轨系统，地面就可以知道卫星是否沿预定的轨道飞行。

对卫星进行跟踪测量主要有两种方法：一种是用光学的方式进行测量，即利用望远镜、光学经纬仪、电影经纬仪、高速摄影机和激光测距仪等光学仪器，对卫星进行跟踪测量。这种手段不需要卫星太多的配合，只是观测、记录它的运动情况。由于光学方法会受到卫星的大小和表面反射特性、观测时间天气的好坏等因素的影响和限制，因此其跟踪的范围有限。

另一种是用无线电信号进行跟踪导航。它是指地面利用卫星发出的无线电信号跟踪卫星，并利用接收到的无线电信号延迟时间和多普勒频率变化来确定卫星距离地面的距离和速度，从而确定卫星飞行的位置和速度，计算出与卫星飞行轨道的偏差，引导卫星沿着正确的轨道飞行。由于无线电波不受天气影响，传播速度为3105km/s，因此，可以实现全天候跟踪测量，进行远距离定位。

无线电测轨系统由星上和地面两部分组成，星上部分有发射机、接收机和天线等；地面部分有测控站，在测控站内有各种不同用途的雷达、发射机、接收机、天线、数据终端、计算机以及记录显示设备等。这些设备总的说来有两大类，一类用于接收卫星传给地面的信息，另一类用来向卫星发射信号。常用的卫星无线电测轨系统有雷达测轨系统、多普勒测速系统和干涉仪系统。

雷达测轨系统的工作过程是：先用卫星上的信标机连续地或间断地以一定的频率向地面发射特定的无线电信号，使地面接收雷达能通过接收信标机发出的信号捕获卫星目标；此后地面站向卫星上的雷达应答机发射信号，雷达应答机接收到信号后再向地面站回答一个信号。这样一来一往、一应一答，就能够算出卫星所处在的方位、高度和飞行的速度，进而可以得到卫星的实际轨道数据。

卫星的轨道是在卫星发射前就设计好的理论轨道，但由于各种原因，卫星上天后的实际轨道往往和理论轨道不太一样。为此，在卫星与火箭分离后刚刚进入轨道时，要及时对卫星进行跟踪测量，掌握卫星的初始轨道参数，计算出卫星整个的运行轨道，知道它下一圈在什么地方，以及任何一个时刻卫星会飞到什么地点上空，这样就能尽早通过卫星的控制系统与推进系统调整卫星轨道，让卫星变轨进入预定的轨道运行。当然，理论轨道与实际轨道误差越小，卫星的轨道调整就越小，这样可以节省卫星所消耗的燃料，延长卫星寿命。

当然，在卫星长期运行的过程中，会因为受到地球引力、大气阻力、太阳和月球引力等的影响使轨道会产生微小变化，即“轨道摄动”，所以要不断地跟踪测量卫星轨道，必要时需对卫星轨道进行修正和保持。

2 卫星的速度多大

人造地球卫星之所以能够绕地球运行而不掉下来，是因为发射它的运载火箭使它具有较高的飞行速度，从而可以产生能够抵消地球引力的离心力按惯性飞行。换句话说就是，如果作用在人造地球卫星的离心力与地球引力大小相等、方向相反时，卫星就可以绕地球作运行。离心力与地球引力相等时的卫星飞行速度称为环绕速度。由于人造地球卫星在不同轨道高度所受到的地球引力不一样，因此它所需的环绕速度是不一样的。例如，在离地面200km时，环绕速度为7.79km/s；在离地面300km时，环绕速度为7.781km/s；在离地面400km时，环绕速度为7.732km/s；在离地面500km时，环绕速度为7.619km/s；在离地面600km时，环绕速度为7.564km/s；在离地面800km时，环绕速度为7.457km/s；在离地面1000km时，环绕速度为7.356km/s；在离地面2000km时，环绕速度为6.903km/s；在离地面4000km时，环绕速度为6.203km/s；在离地面5000km时，环绕速度为5.922km/s；在离地面6000km时，环绕速度为5.679km/ s；在离地面35800km时，环绕速度为3.076km/s。

如果在某一高度低于其相应的环绕速度，人造地球卫星就会从天上掉下来。尤其是在低轨道飞行的卫星，由于在那里还有少量残存的大气，这些大气会对卫星产生一定阻力，逐渐降低卫星的速度。速度降低意味着离心力减小，如果不适时利用卫星上的发动机提升卫星的速度，卫星的轨道高度就会不断衰减，最终使卫星在地球引力作用下沿螺旋线轨迹落向地球大气层烧毁。在低轨道运行的卫星失效后，经常会因此掉下来；而在高轨道运行的卫星因不会受到残存的大气影响，所以即使失效也可以靠惯性在轨道上继续飞行多年。