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地球同步轨道

地球同步轨道(Geosynchronous orbit,GSO),卫星的轨道周期等于地球的自转周期,且方向亦与之一致,见同步轨道。轨道平面与地球赤道平面重合,即卫星与地面的位置相对保持不变,则称为地球静止轨道

中文名称地球同步轨道英文名称Geosynchronous orbit
缩写GSO运用通信卫星

简介

卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期(23小时56分4秒),且方向亦与之一致,卫星在每天同一时间的星下点轨迹相同,当轨道与赤道平面重合时叫做地球静止轨道,即卫星与地面的位置相对保持不变。

发射满足条件

实现地球同步轨道,需满足下列条件:

1、卫星运行方向与地球自转方向相同;

2、轨道偏心率为0,即轨道是圆形的;

3、轨道周期等于地球自转周期为1恒星日(23小时56分4秒),静止卫星的高度为35786公里。

要将同步卫星发射到同步轨道上,却是相当困难和复杂的。因为受火箭运载能力的限制和发射场一般不处于赤道上的影响,多数的运载火箭不能将卫星直接送到同步轨道上,必须分为三个阶段才能入轨。

第一步,运载火箭将卫星送到距地面200---300千米的停泊轨道;

第二步,以停泊轨道的环绕速度将卫星加速送到转移轨道与同步轨道相切处,即转移轨道的远地点;

第三步,在远地点上点燃发动机,使卫星进入地球同步轨道,并用卫星上的小发动机调整卫星的姿态,使卫星完全进入同步轨道。

发射过程

地球同步轨道卫星的发射很困难,技术很复杂。但如果一个国家的卫星发射场建在地球的赤道上,那这种卫星的发射就简单多了,在赤道上由西向东发射,达到要求的轨道高度,在适当的位置定点,问题就解决了。可惜的是,许多发射卫星的国家不在赤道上,也不可能在赤道上建立卫星发射场。这样给卫星的发射带来了许多的困难,要经过几次的轨道变换才能成功。现在我们结合下面的图来看看地球静止轨道卫星是如何发射的。

 

为了便于说明和理解,首先假设从赤道面发射卫星,如图1所示。火箭起飞后达到一定的高度时, 一级火箭熄火并自动分离,火箭携带卫星爬升一段时间,即图中的惯性飞行,然后末级火箭点火工作,当达到一定的轨道高度,火箭熄火。

 

这时卫星进入一个距离地球很近的轨道,我们称它为初始轨道,见图2。当卫星到达初始轨道的远地点时,发动机再次点火工作,把卫星加速到一个大椭圆轨道(转移轨道)上,这时大椭圆轨道的近地点就是初始轨道的远地点,而大椭圆轨道的远地点要正好是36000千米的高度,这时火箭的末级与卫星分离。当卫星再次转到大椭圆轨道的远地点时,卫星上的远地点发动机点火工作,把卫星推入36000千米的圆轨道,这就进入了地球同步轨道。

 

由于大多数国家的发射场不在赤道上,所以实际上卫星发射时的轨道面和地球的赤道面总是有一个夹角,即轨道倾角,见图3。从图上可看出,卫星的轨道面和地球的赤道面不重合,因此首要要的任务就是使卫星进入赤道平面,即要改变它的运动方向。因此在卫星的远地点发动机点火之前,首先要调整卫星的姿态,使发动机的轴线和轨道面成--定的角度。这时,当卫星飞经赤道上空时,恰好远地点发动机点火工作,给卫星一个沿发动机轴线方向的附加速度,如图中的v1而卫星在原来轨道上飞行时有一个轨道速度,如图中的v0;这两个速度就按照力学的速度合成原理,合成一个新速度。这个新速度的方向是两个速度组成的平行四边形的对角线方向,如图中的v2。这个v2,速度是非常关键的,它的速度方向一定要刚好沿着地球的赤道方向,这时卫星才能在赤道上空飞行。此后,卫星还有一个定点的任务,还要经过姿态的调整和精确的姿态修正。这是因为当卫星的远地点发动机熄火后,产生各种误差的原因往往使卫星的实际位置与要求的定点位置不一致。卫星定点实际上是卫星的轨道微调。卫星上除了装有远地点发动机外,在它的各个特定方向还装有成对的小发动机,按不同的误差起动不同的小发动机来进行轨道控制,精确修正轨道,使它慢慢贴近静止轨道并且停止漂移,这时卫星就完全定点于预定的地点上空了。但即使卫星已经定点很准了,当工作时间一长,由于地球形状的影响(地球不是正圆)、地磁场的影响,以及太阳甚至月亮的引力都使得卫星的位置发生变化(轨道摄动),所以时不时的还要进行轨道修正,要随时控制它的状态和位置,这种修正我们称为卫星的轨记保持。

从以上的介绍,我们可以看出发射地球同步轨道卫星比发射一轨道卫星要复杂得多,而中国多成功地发射了地球静止轨道的通信卫星,充分说明中国已经完全掌握了它的发射和定点技术。

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最新更新:2015-08-06 14:31
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