Question

人造卫星轨道的问题

Answer 1

如果我们把地球看成一个均质的球体，它的引力场即为中心力场，其质心为引力中心。那麽，要使人造地球卫星（简称卫星）在这个中心力场中作圆周运动，粗俗地说，就是要使卫星飞行的离加加速度所形成的力（离心惯性），正好抵消（平衡）地心引力。这时，卫星飞行的水平速度叫第一宇宙速度，即环绕速度。反过来说，卫星只要获得这一水平方向的速度后，不需要再加动力就可以环绕地球飞行。这时卫星的飞行轨迹叫卫星轨道。卫星轨道平面通过地球中心。如果速度稍大一些，则形成椭圆形轨道，如果达到逃逸速度，则为抛物线轨道，那时它将绕太阳飞行成为人造行星；如果达到第三宇宙速度，则为双曲线轨道，与太阳一样而绕银河系中心飞行了。 　　 　　就人造地球卫星来说，其轨道按高度分低轨道和高轨道，按地球自转方向分顺行轨道和逆行轨道。这中间有一些特殊意义的轨道，如赤道轨道、地球同步轨道、对地静止轨道、极地轨道和太阳同步轨道等。 　　 　　卫星轨道的形状和大小是由长轴和短轴决定的，而交点角Ω、近地点幅角ω和轨道倾角i则决定轨道在空间的方位。这五个参数称为卫星轨道要素（根数）。有时还加过近地点时刻tp，合称为六要素。有了这六要素，就可知道任何时刻卫星在空间的位置。 　　 　　高低轨道没有明确的划分界限，一般把离地面几百公里的卫星轨道称为低地球轨道。 　　 　　轨道倾角为零，轨道平面与地球赤道平面重合。这种轨道叫赤道轨道。 　　 　　轨道高度为35786公里时，卫星的运行周期和地球的自转周期相同，这种轨道叫地球同步轨道；如果地球同步轨道的倾角为零，则卫星正好在地球赤道上空，以与地球自转相同的角速度统地球飞行，从地面上看，好像是静止的，这种卫星轨道叫对地静止轨道，它是地球同步轨道的特例。对地静止轨道只有一条。 　　 　　轨道倾角为90度时，轨道平面通过地球两极，这种轨道叫极地轨道。 　　 　　如果卫星的轨道平面绕地球自转轴的旋转方向、角速度与地球绕太阳公转的方向和角速度相同，则它的轨道叫太阳同步轨道。太阳同步轨道为逆行轨道，倾角大于90度。 卫星轨道主要分为地球同步及太阳同步两种。 地球同步卫星：此类卫星之轨道其绕行地球一周之时间与地球自转一圈之时间一样，从地面上观察此卫星，在任何时间此卫星相对于地表之位置永远不变。 太阳同步卫星 (Sun Synchronous) ：此轨道之特性是太阳相对于卫星轨道面之角度为固定，因此卫星通过同一地理纬度上空的“当地时间 (Local Time) ”保持不变。大部分的资源探测卫星属于太阳同步卫星。 B. 卫星高度 (Satellite Altitude) ：指卫星距离地表之高度，资源探测卫星多属低轨道卫星，其高度多在 400-1000 公里。 C. 轨道倾角 (Orbit Inclination) ：为轨道面在赤道处与赤道面之夹角，资源探测卫星为监测全球，飞行方向为近南北方向，一般轨道倾角约在 95~100 度之间。 D. 倾斜观测方式： 大部分资源探测卫星都有倾斜观测之设计，其目的主要有二，一是为了提供卫星从不同轨道拍摄同一地点之观测能力，以提高重复拍摄之时间解析度；二是借此得到立体影像，以便进行立体观测或制作数值地形模型。倾斜观测之方式主要有两种，一是镜头旋转，二是卫星本体旋转 (Body Rotation) 。 例如 SPOT 卫星每一感测器可借由改变反射镜位置，使卫星改变观测方向，最大可达左右 27 度，其间共有 91 个角度位置，每一角度位置相差 0.6 度。因此使得 SPOT 卫星可在同一轨道扫瞄左右各约 400 余公里范围内选择所欲观测之目标，同样的也可在不同轨道拍摄同一地点之影像。 FORMOSAT-2 、 EROS-A 、 IKONOS 、 Quickbird 等卫星其感测器是固定在卫星主体上，因此倾斜观测是采用本体旋转方式进行。 E. 轨道周期 (Orbit Period) ：指卫星绕地球一圈所需的时间。例如 SPOT 卫星绕地球一圈为 101.4 分钟，一天可绕地球 14 又 5/26 圈，回到同一轨道之周期为 26 天。而 FORMOSAT-2 之轨道周期为 102.86 分钟，一天可绕行地球刚好 14 圈，回到同一轨道之周期为 24 小时，也就是一天内会通过同一轨道两次。此轨道周期之设计关系到两相邻轨道之距离，以 SPOT 卫星而言，全球共有 369(=14 x 26 + 5) 个轨道，因此在赤道两相邻轨道之距离为 108 公里 (?40
000/369) ，当采用 Twin Mode 拍摄时其最大像幅宽度在像底点位置为 117 公里。也就是说，当 SPOT 卫星在 26 天内采用 Twin Mode 拍摄模式完成 369 个轨道之拍摄计画后，其拍摄区域即可涵盖全球。而 FORMOSAT-2 全球只有 14 个轨道，因此在赤道两相邻轨道之距离为 2857 公里，当使用最大倾斜观测角度 (45 度 ) 进行倾斜摄影时，可观测之最远距离约为 960 余公里，因此有些地区将无法拍摄得资料。对于可拍摄得资料之地区，卫星在不同时期拍摄时所使用之观测角度也几乎相同，因此若因为地形因素而造成遮蔽效应之地区，亦无法获得资料。 F. 成像方式 ：被动式卫载光学感测系统之感测器，主要分为撢扫式 (Whisk-broom) 与推扫式 (Push-broom) 两种。例如 Landsat MSS 卫星及 Landsat TM 卫星均是使用撢扫式感测器，其 CCD 排列方向与飞行方向平行，卫星飞行取样时持续旋转镜子左右来回扫瞄。而现今光学遥测系统则多采用推扫式感测器，例如 SPOT 、 FORMOSAT-2 、 IKONOS 、 Quickbird 、 EROS 等等，其 CCD 排列方向与飞行方向垂直，因此其成像几何在飞行方向为近似平行投影，在垂直飞行方向则为透视投影，亦简称为半透视投影。 G. 取样方式： 主要分为同步取样与非同步取样两种，两者主要差别在卫星飞行路径长度是否与拍摄取样之长度相同。「非同步取样」时 影像取样速度较卫星飞行速度慢，可增加感测器对同一个目标区的曝光时间， 增加进入感测器之辐射能量，提升讯号杂讯比 (Signal-to-Noise Ratio) 以 提高其空间解析度。此种取样过程中，对同一扫瞄线而言，卫星必须同时旋转卫星本体以拍摄相同地表物，因此容易造成模糊效应而降低影像辐射品质。「同步取样」时，卫星飞行长度与所拍摄之地表长度相同，拍摄时卫星本体或感测器观测角并未改变，因此相对而言所获取之影像品质比「非同步取样」佳。 例如 EROS-A 是采非同步取样方式， 而 SPOT 则采用同步取样方式。 SPOT-1~4 一张全幅影像在 9 秒钟之内连续扫瞄 6000 条线，因此每扫瞄线之取样时间固定为 0.0015 秒，而 SPOT-5 则在 9 秒钟之内扫瞄 12000 条线，因此取样时间为 0.00075 秒。 H. 立体成像方式 ：主要分为同轨与异轨两种。例如 SPOT-1~4 卫星可以在不同时间及不同轨道 ( 异轨 ) ，如图 B.19(a) 所示，以倾斜摄影来获得左右重叠之立体对影像。其缺点为两个不同时所拍摄之影像，容易因为地物改变、云或阴影位置不同、大气状况不同等因素，造成两影像灰度值之差异，而增加后续自动化影像匹配之困难度。而同轨立体对影像 ( 如图 B.19(b) 所示 ) 因为两张影像拍摄时间差距很小，通常在数分钟以内。因此影像灰度值相似，在自动化处理中可减少影像匹配之错误率，进而减少人工编修的工作。可进行同轨立体摄影的卫星有 EROS-A 、 FORMOSAT-2 、 IKONOS 、 SPOT-5 HRS 、 Quickbird 等。 .
那位抄人的飞鹏连楼主的问都不理解就乱抄一通，这些人的质素真的低得令人惊奇。再答楼主的问题，其实轨道的计算很复杂，外国的大学有四年制学士课程专门研究轨道学，所以如何计算轨道不是三言两语能表达出来的。不过很简单来说，轨道其实是任人定的，只要你计出卫星的近地点(perigee)和远地点(apogee)，然后将卫星以一定的速度进入上述任何一点就可令卫星在太空运行。所以，计算轨道并不是最重要的工作，反而决定卫星采用那种轨道才是关键所在。 卫星的轨道有很多种类，其实在天上有无数条任意高度，任意方向的轨道，而它们大致可分为以下几类，包括极地轨道、地球同步轨道、太阳同步轨道等。 极地轨道是指卫星会经过南北两极，这种卫星通常每九十分钟环绕地球一周，并每天会通过地球同一地方两次(白天一次，夜晚一次)，由于这特性，所以很多间谍卫星会使用极地轨道。 地球同步轨道是指该卫星的运转周期和地球的自转一样，所以它会静止在一个地方的上空不动。只有赤道上空36
000公里高的轨道才有此特性，由于这些卫星不动，又在极高空，所以有很多通讯卫星都在那条轨道上，但由于这特性太好用，所以多年来有不少国家将卫星发射到这轨道上，令这条轨道现在非常挤迫。 太阳同步轨道和极地轨道相似，都是卫星南北走向运行，它的特点是每天会在一个地方的同一个时间经过那里，正如飞鹏的引文所说，资源探测卫星多会用这种轨道，但这种定时出现的特性也很适合间谍卫星，所以不少间谍卫星都用这种轨道。 其实在这三种轨道以外还有无限条轨道以不同的倾角，不同高度的远地点和近地点的形式出现。大部份卫星都会使用高度在400公里以下的低轨道，因为发射到这种轨道的成本较低。而且像间谍卫星或气象卫星等都要仔细观察地表的变化，所以它们都不能放得太高。 至于像导航卫星(包括GPS)，通讯卫星等都会选择高轨道，因为够高可以接触更广大的范围，而且高轨道可完全避免卫星和高大气层的摩擦及太空垃圾的撞击，这样卫星就能长期待在天空上。一般这些卫星都会在几千至几万公里高空，我以前甚至听说过有军用通讯卫星会放在十万公里高。要发射这些卫星的成本比低轨道卫星高得多，因为需要额外的燃料去将卫星送入预定轨道，而且更需要极精密的导航才能保证入轨成功，所以高轨道卫星发射一向都是太空科学中的先进领域，只有少数国家才有此能力。
当地球施于人做卫星的力
等于人造卫星环绕地球的向心力
人造卫星就会维持在轨道上 所需向心力是:mv^2/r 地心吸力是:mg 因此只要mg=mv^2/r =>g=v^2/r 只要符合如此条件
人造卫星就会维持在轨道上 (v 是与地心成90度角的velocity
r是地球与人造卫星的距离) 2007-05-09 04:37:25 补充： 飞鹏抄人d文当自己
唔注明出处
有无搅错
佢d野个出处是big5.cast/gate/big5/app.cpst/kjmc/2002_08/1029138388 2007-05-09 04:46:46 补充： 飞鹏抄人d文
佢下半文的出处是csrsr.ncu.edu/chin.ver/c3t&s/proper_noun 2007-05-09 04:51:29 补充： 我想补充
我所指的r是由地球核心至人造卫星核心的距离
不是地球表面至人造卫星表面的距离