为什么人造地球卫星的轨道有各种形状？

人造地球卫星的轨道似乎有各种形状，但你仔细观察以后，会发现它们主要呈现圆形和椭圆形两种，其中圆轨道是椭圆轨道的特殊情况。卫星的轨道形状与人造地球卫星入轨时的速度和方向有关，究竟采用哪种形状的轨道，则是由人造地球卫星的功能和用途决定的。

1 运行轨道形状与航天器速度有关

人造地球卫星轨道是人造地球卫星绕地球运行的轨道。它呈一条封闭的曲线。这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面，轨道平面总是通过地心的。

卫星与火箭分离示意图

要回答人造地球卫星的轨道形状问题，首先应该了解三个宇宙速度的基本概念。众所周知，航天器（包括人造地球卫星、载人航天器、空间探测器）要离开地面进入太空需达到一定速度，才能克服地球的引力而不落到地面。理论和实践都已证明，在航天器的飞行速度达到7.9km/s时，它可以环绕地球运转。一般把航天器在地球圆轨道飞行的速度叫环绕速度，7.9km/s也叫第一宇宙速度。当航天器的飞行速度达到11.2km/s时，它就可以脱离地球轨道，成为围绕太阳运行的人造行星，或者飞向太阳系的其他星球上去。一般脱离地球轨道的速度叫逃逸速度,11.2km/s也叫第二宇宙速度。如果航天器的飞行速度达16.6km/s, 它就可以脱离太阳系，到其他恒星世界去，16.6km/s也叫第三宇宙速度。所以，人造地球卫星的速度至少要达到7.9km/s，才能绕地球运转。

航天器与发射它的运载火箭分离后入轨点的轨道速度叫入轨速度。入轨点的位置确定后，入轨速度的大小和方向就决定了人造地球卫星的轨道形状。如果航天器入轨速度在环绕速度和逃逸速度之间时，轨道为椭圆；当航天器入轨速度等于环绕速度而且是水平方向时，轨道为圆形；当入轨速度等于逃逸速度时，轨道为抛物线形；当入轨速度大于逃逸速度时，轨道为双曲线形。另外，入轨速度大小相同而方向不同时，航天器的轨道形状也会有很大差异。

2 人造地球卫星轨道的高低与用途

人造地球卫星有的运行在圆轨道,有的运行在椭圆轨道：它们还有高低之分：距地面200～2000km的轨道叫低轨道，距地面2000～20000km的轨道叫中轨道，距地面20000km以上的轨道叫高轨道，为了完成预定任务，不同的卫星在轨道形状、高低等方面有明显差异。

运行在大椭圆轨道的我国实践－1卫星示意图

由探测－1、2组成的中国地球空间双星探测星座示意图。为了科研需求，探测－1运行在大椭圆形赤道轨道，探测－2运行在椭圆形极轨道

例如，采用圆形轨道有同地球表面保持等距离的优点，所以用于观察地球、通信广播、导航定位和大地测量的卫星常采用这种轨道；但也有一些卫星采用椭圆轨道，例如，俄罗斯的“闪电”通信卫星运行在大椭圆轨道，这是因为俄罗斯国土纬度较高，如果使用地球静止轨道卫星不能覆盖高纬度地区，而“闪电”通信卫星轨道的远地点高度为40000km，近地点在470km，倾角63°，即远地点在北半球上空。这样卫星可缓慢经过俄罗斯境内，与地面控制站失去联系的时间很短。不过，为了保证提供俄罗斯境内不间断通信，需要多颗“闪电”卫星协作。另外，如果是为了科学研究(研究地球不同高度上磁场的强度，大气压力、温度、密度，宇宙空间辐射的强度分布……)，使探测范围更大些，可以选择扁的轨道。我国1971年3月3日发射的实践－1科学卫星，其轨道的近地点是266km，远地点是l826km。

3 几种常用的人造地球卫星轨道

按飞行方向分，人造地球卫星轨道可分为顺行轨道（与地球自转方向相同）、逆行轨道（与地球自转方向相反）、赤道轨道（在赤道上空绕地球飞行）和极轨道（经过地球南北极上空）等。人造地球卫星还有以下几种特殊轨道。

人造地球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的轨道叫地球同步轨道。

如果运行在地球同步轨道的卫星正好在地球赤道上空离地面35786km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，所以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。大多数通信卫星都采用这种轨道，以便地面与卫星能连续通信。

还有一种特殊轨道叫太阳同步轨道。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。气象卫星、资源卫星等对地观测卫星都采用这种轨道，其优点是不仅可以使卫星能俯瞰包括地球两极地区在内的整个地球表面，而且在卫星每次经过特定地区时，其光照条件基本不变，从而有利于获取高质量地面目标的图像。

我国“北斗”导航卫星星座由地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成

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2010年8月14日，美国首颗“先进极高频”军用通信卫星升空。但由于该卫星上天后远地点发动机出现异常，结果不得不使用星上氙离子流体霍尔推进器执行了500多次点火来变轨，直到2011年10月24日，这颗卫星才在耗时14个月后进入了预定的地球静止轨道。

4 卫星升空后多久才算进入最终轨道？

因为不同种类的人造地球卫星运行在不同的轨道上，所以它们在升空后进入最终的工作轨道所花的时间有很大差异，有的能马上进入最终的工作轨道，有的则需要几十天甚至几个月。这是为什么呢？

由于种种原因，用运载火箭发射人造地球卫星时，其入轨点的速度和方向会与预定的轨道稍有偏差，因而常常不能一下把卫星送入预定的轨道。例如，运行在距地面250km高的卫星，如果速度大小有千分之一的误差，或方向角有半度误差，都会使卫星的轨道高度偏离50km。因此，卫星上天后需要变轨，对轨道进行修正，才能进入预定轨道。

如果不在地球赤道上的地点发射地球静止轨道卫星，那么由于卫星最初进入的轨道平面是通过发射地点和地心的，因此就会使轨道平面和地球赤道之间形成一个夹角。要让轨道面和地球赤道面重合，就需要改变卫星轨道平面的倾角。

一般发射地球静止轨道卫星分为两步：第一步是用火箭把卫星送入一个远地点在赤道上空35786km，近地点为几百千米的大椭圆轨道，它也叫地球同步转移轨道；第二步是在卫星运行到远地点时，启动卫星上的远地点发动机3～4次，逐渐提高卫星飞行速度，改变飞行方向，消除轨道倾角，把卫星的近地点高度提升到35786km，速度的方向朝正东的水平线，从而使卫星运行在地球静止轨道。