人造地球卫星的类型(人造地球卫星的分类和用途)
正如剧院中的不同座位提供了不同的表演视角一样，不同的地球轨道为卫星提供了不同的视角，每种视角都有不同的价值。有些似乎盘旋在一个地方，提供地球一侧的恒定视野，而另一些则围绕地球运行，全天飞越许多不同的地点。
国际空间站和其他轨道卫星在地球上空数百公里处飞行，为我们的星球提供了独特的视角。（美国宇航局照片S126-E-014918。
地球轨道基本上分为三种类型：高地球轨道、中地球轨道和低地球轨道。许多气象卫星和一些通信卫星往往具有高地球轨道，距离地球表面最远。在中（中）地球轨道运行的卫星包括导航卫星和旨在监测特定区域的专用卫星。大多数科学卫星，包括美国宇航局的地球观测系统卫星，都具有低地球轨道。
对轨道进行分类的一种方法是按高度。低地球轨道从大气层顶部开始，而高地球轨道则从到达月球的十分之一处开始。（美国宇航局插图，罗伯特·西蒙）
轨道高度，或者卫星与地球表面之间的距离，决定了卫星绕地球运行的速度。地球轨道卫星的运动主要受地球引力控制。随着卫星距离地球越来越近，引力越来越强，卫星移动得越来越快。例如，美国宇航局的Aqua卫星绕地球运行约705公里需要大约99分钟，而距地球表面约36,000公里的气象卫星需要23小时56分4秒才能完成一周。月球距离地球中心384,403公里，绕地球一周需要28天。
卫星的轨道越高，它的移动速度就越慢。某些轨道高度具有特殊属性，例如地球同步轨道，卫星每天仅绕地球运行一次。图中每个红色箭头的长度代表卫星一小时内行驶的距离。观看动画。（美国宇航局插图由罗伯特·西蒙绘制。
改变卫星的高度也会改变其轨道速度。这导致了一个奇怪的悖论。如果卫星运营商想要提高卫星的轨道速度，他不能简单地发射推进器来加速卫星。这样做会升高轨道（增加高度），从而减慢轨道速度。相反，他必须向与卫星前进运动相反的方向发射推进器，这一动作会减慢地面上移动的车辆的速度。这一变化将把卫星推入较低的轨道，从而提高其前进速度。
除了高度之外，偏心率和倾角也决定了卫星的轨道。偏心率是指轨道的形状。低偏心率轨道的卫星绕地球作紧密圆周运动。偏心轨道是一种椭圆形，卫星与地球的距离根据其在轨道上的位置而变化。
轨道的偏心率(e)表示轨道与完美圆的偏差。圆形轨道的偏心率为0，而高偏心率轨道的偏心率接近（但始终小于）1。偏心轨道中的卫星绕椭圆的一个焦点而不是中心移动。（美国宇航局插图由罗伯特·西蒙绘制。
倾角是轨道相对于地球赤道的角度。直接在赤道上方运行的卫星的倾角为零。如果卫星从北极（地理上的、非磁性的）绕轨道运行到南极，则其倾角为90度。
轨道倾角是轨道平面与赤道之间的角度。轨道倾角为0，正上方为90，轨道倾角正上方，轨道倾角为180，与地球自转方向相反。（美国宇航局插图由罗伯特·西蒙绘制。
卫星的高度、偏心率和倾角共同决定了卫星的路径及其对地球的视野。
高轨卫星
当卫星距离地球中心正好42,164公里（距地球表面约36,000公里）时，它进入一种“最佳点”，其轨道与地球自转相匹配。由于卫星的轨道速度与地球自转速度相同，因此卫星似乎被困在一个经度上，尽管它可能会从北向南漂移。这种特殊的高地球轨道称为地球同步轨道。
位于赤道正上方的圆形地球同步轨道上的卫星（偏心率和倾角为零）将具有相对于地面完全不移动的地球静止轨道。它总是直接位于地球表面的同一位置。
对地静止轨道对于天气监测很有价值，因为该轨道上的卫星可以提供同一表面区域的持续视图。当您登录您最喜欢的天气网站并查看家乡的卫星视图时，您看到的图像来自地球静止轨道上的卫星。每隔几分钟，地球静止环境卫星（GOES）等地球静止卫星就会发送有关云、水蒸气和风的信息，这种近乎持续的信息流是大多数天气监测和预报的基础。
地球静止轨道上的卫星在赤道正上方随地球旋转，始终保持在同一地点上方。这个位置允许卫星观察天气和其他短时间内变化的现象。（美国宇航局照片由MaritJentoft-Nilsen和RobertSimmon拍摄。
由于对地静止卫星始终位于一个位置，因此它们也用于通信（电话、电视、广播）。GOES卫星由NASA建造和发射，由国家海洋和大气管理局(NOAA)运营，提供搜索和救援信标，用于帮助定位遇险船只和飞机。
最后，许多高地球轨道卫星监测太阳活动。GOES卫星携带大量“太空天气”仪器，用于拍摄太阳图像并跟踪周围空间的磁力和辐射水平。
另一个轨道“最佳位置”位于高地球轨道之外，是拉格朗日点。在拉格朗日点，来自地球的引力抵消了来自太阳的引力。放置在这些点上的任何物体都会受到地球和太阳的同等拉力，并且会与地球一起绕太阳旋转。
在日地系统的五个拉格朗日点中，只有最后两个（称为L4和L5）是稳定的。其他三个点的卫星就像一个平衡在陡峭山顶上的球：任何轻微的扰动都会将卫星推出拉格朗日点，就像一个球从山上滚下来一样。这三个点的卫星需要不断调整以保持平衡和到位。最后两颗拉格朗日点卫星更像是碗里的球：即使受到干扰，它们也会回到拉格朗日点。
拉格朗日点是一个特殊位置，卫星和地球在绕太阳运行时相对于地球保持静止。L1和L2分别位于地球的白天和黑夜上方。L3位于太阳的另一侧，与地球相对。L4和L5处于同一轨道，且与地球前后各60。（美国宇航局插图由罗伯特·西蒙绘制。
距离地球最近的拉格朗日点大约是地球到月球距离的五倍。L1位于太阳和地球之间，总是看到地球的日光面。L2位于太阳对面，并且始终处于夜间。（美国宇航局插图由罗伯特·西蒙绘制。
第一个拉格朗日点位于地球和太阳之间，卫星可以从该点连续观测太阳。太阳和日光层观测站（SOHO）是美国宇航局和欧洲航天局的一颗卫星，负责监测太阳。它绕距离地球约150万公里的第一个拉格朗日点运行。
第二个拉格朗日点与地球的距离大致相同，但位于地球后面。地球始终位于第二拉格朗日点和太阳之间。由于太阳和地球在一条直线上，因此这个位置的卫星只需要一个隔热罩来阻挡来自太阳和地球的热量和光线。这里是太空望远镜的好位置，包括未来的詹姆斯·韦伯太空望远镜（哈勃的后继者，计划于2014年发射）和当前的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），该探测器用于通过辐射绘制背景微波以研究自然界宇宙的。
第三个拉格朗日点在太阳的另一侧与地球相对，因此太阳始终位于它和地球之间。处于这个位置的卫星将无法与地球通信。极其稳定的第四拉格朗日点和第五拉格朗日点位于地球绕太阳轨道向前或向后60度。双日地关系观测站（STEREO）航天器将在第四和第五拉格朗日点运行，以提供太阳的三维视图。
双日地关系观测站(STEREO)航天器于2009年7月5日在前往L4和L5的途中捕获了这些太阳黑子1024的图像。在地球轨道后面（左）和前面（右）60度的太阳视图中，可以看到原本无法看到的部分太阳表面。（NASA图片由STEREO科学中心提供。
中轨卫星
距离地球越近，中地球轨道上的卫星移动速度越快。有两个中地球轨道值得注意：半同步轨道和莫尼亚轨道。
半同步轨道是距离地球中心26,560公里（距地表约20,200公里）的近圆形轨道（低偏心率）。处于这个高度的卫星需要12小时才能完成一周轨道。当卫星移动时，地球在其下方旋转。24小时内，卫星每天都会经过赤道上相同的两个点。这个轨迹是一致的并且高度可预测的。它是全球定位系统(GPS)卫星使用的轨道。
第二个最常见的中地轨道是莫尼亚轨道。俄罗斯人发明的莫尼亚轨道非常适合观测高纬度地区。对地静止轨道因其提供的恒定视野而有价值，但对地静止轨道上的卫星停泊在赤道上方，因此它们不适合遥远的北部或南部位置，这些位置始终位于对地静止卫星视场的边缘。莫尼亚轨道提供了一个有用的替代方案。
Molniya轨道结合了高倾角(63.4)和高偏心率(0.722)，以最大限度地延长高纬度地区的观测时间。每个轨道持续12小时，因此轨道的缓慢、高空部分每天都会在同一位置重复。俄罗斯通信卫星和天狼星无线电卫星目前使用这种类型的轨道。（改编自VincentL.Pisacane的《空间系统基础》，2005年。
Molniya的轨道非常偏心：卫星以极端椭圆形运行，地球靠近其边缘。由于卫星受到地球引力的加速，因此它在接近地球时移动得非常快。当它远离地球时，它的速度会减慢，因此它会在距离地球最远的轨道顶部停留更多的时间。Molniya轨道上的一颗卫星需要12小时才能完成其轨道，但它大约三分之二的时间都在一个半球上度过。与半同步轨道一样，Molniya轨道上的卫星每24小时经过同一路径。这种类型的轨道对于遥远的北方或南方的通信很有用。
低轨卫星
大多数科学卫星和许多气象卫星都位于近圆形近地轨道上。卫星的倾斜取决于卫星发射的目的是监测什么。发射热带降雨测量任务（TRMM）卫星来监测热带地区的降雨量。因此，它的倾角相对较低（35度），位于赤道附近。
TRMM的低轨道倾角（距赤道仅35）使其仪器能够聚焦于热带地区。该图显示了TRMM在一天内进行的一半观测。（NASA图片由TRMM项目提供。
美国宇航局地球观测系统中的许多卫星都有近极轨道。在这个高度倾斜的轨道上，卫星绕地球从一极移动到另一极，完成一个轨道大约需要99分钟。在其轨道的中途，卫星可以看到地球的白天。在极点，卫星经过地球的夜晚一侧。
当卫星绕轨道运行时，地球在下面旋转。当卫星回到白天时，它已经经过了与它最后一次在轨道上看到的区域相邻的区域。在24小时内，极轨卫星将观测地球大部分地区两次：一次在白天，一次在黑暗期间。
正如地球静止卫星在赤道上方有一个最佳位置，可以让它们停留在地球上的某一点，极轨卫星也有一个最佳位置，可以让它们停留在时间上的一个点。该轨道是太阳同步的，这意味着无论何时何地卫星穿过赤道，地面上的当地太阳时总是相同的。例如，对于Terra卫星来说，当卫星穿过巴西赤道时，总是在上午10点30分左右。当这颗卫星在大约99分钟内进行下一次绕地球飞行时，它将在当地时间10:30左右穿过厄瓜多尔或哥伦比亚的赤道。
太阳同步轨道每天（和晚上）大约在当地时间的同一时间穿过赤道。该轨道允许进行一致的科学观测，太阳和地球表面之间的角度保持相对恒定。这些插图显示了太阳同步卫星的3个连续轨道，穿越赤道的时间为下午1:30。卫星最近的轨道由深红线表示，而较旧的轨道则由浅红色表示。观看动画。（美国宇航局插图由罗伯特·西蒙绘制。
太阳同步轨道对于科学来说是必要的，因为它可以使地球表面的阳光角度尽可能保持一致，即使角度随季节变化。这种一致性意味着科学家可以比较几年来同一季节的图像，而不必过多担心阴影和光照的极端变化，这可能会造成变化的错觉。如果没有太阳同步轨道，就很难跟踪随时间的变化。收集研究气候变化所需的一致信息是不可能的。
卫星必须穿过一条非常狭窄的路径才能停留在太阳同步轨道上。如果卫星的高度为100公里，其轨道倾角必须为96度才能保持太阳同步轨道。高度或倾斜度的任何偏差都可能导致卫星脱离其太阳同步轨道。由于大气阻力以及来自太阳和月球的引力会改变卫星的轨道，因此需要定期调整以使卫星保持在太阳同步轨道上。
实现和维持轨道
发射
将卫星送入轨道所需的能量取决于发射场的位置以及轨道的高度和倾角。高地球轨道上的卫星需要最多的能量才能到达目的地。处于高度倾斜轨道（例如极轨道）的卫星比绕地球赤道运行的卫星消耗更多的能量。低倾角卫星可以利用地球自转的优势帮助将其发射入轨道。国际空间站的轨道倾斜角为51.6397度，使航天飞机和俄罗斯火箭更容易到达它。另一方面，极轨卫星没有得到地球动量的帮助，因此需要更多的能量才能到达相同的高度。
低倾角轨道上的卫星可以通过在赤道附近发射来从地球自转中获得动力。欧洲航天局从法属圭亚那的设施（左）将一颗卫星发射到地球静止轨道。另一方面，高倾角卫星并不能从赤道发射场中受益匪浅。拜科努尔航天发射场（右）位于北纬49，经常用于向极地轨道和摩尼亚轨道发射卫星，以及向国际空间站运送宇航员和物资。[照片2008
ESA/CNES/ARIANESPACE/ActivitPhotoOptiqueVideoCSG（左）由NASA提供（右）。维持轨道
一旦卫星进入轨道，通常需要做一些工作才能将其保持在轨道上。由于地球不是一个完美的球体，它的引力在某些地方比其他地方更强。这种不均匀性，加上太阳、月球和木星（太阳系最大的行星）的引力，将改变卫星轨道的倾角。在其生命周期中，GOES卫星必须移动三到四次才能保持在原位。美国宇航局的近地轨道卫星每隔一两年调整一次倾角，以保持太阳同步轨道。
近地轨道上的卫星也会因大气阻力而脱离轨道。即使近地轨道上的卫星穿过大气层的最上层（最薄层），空气阻力仍然足够强大，足以将它们拉近地球。然后地球引力导致卫星加速。随着时间的推移，卫星最终会以较低的速度进入大气层时燃烧殆尽，或者坠落到地球上。
当太阳活跃时，大气阻力更强。就像气球中的空气在受热时膨胀并上升一样，当太阳为其提供额外的能量时，大气也会上升并膨胀。最薄的大气层上升，其下方较厚的大气层升起并取代它。现在，卫星正在穿过这个较厚的大气层，而不是太阳不太活跃时的薄层。由于卫星在太阳活动最强时穿过密度更大的空气，因此它面临更大的阻力。当太阳安静时，近地轨道上的卫星每年必须提高轨道约四次，以补偿大气阻力。当太阳活动最活跃时，可以每2-3周操纵卫星一次。
移动卫星的第三个原因是为了避开可能在其路径上的空间碎片、轨道碎片。2月11日，美国铱星公司拥有的一颗通信卫星与一颗无法运行的俄罗斯卫星相撞。两颗卫星均解体，形成一个包含至少2,500块碎片的碎片场。每块碎片都被添加到一个数据库中，该数据库包含目前在地球轨道上的18,000多个人造物体，并由美国太空监视网络进行跟踪。
美国宇航局卫星任务控制器仔细跟踪任何可能进入其卫星路径的物体。截至2009年5月，地球观测卫星已经移动了三次，以避免轨道碎片。
数以千计的人造物体——，其中95%是“太空垃圾”——，占据近地轨道。该图像中的每个黑点代表一颗正在运行的卫星、一颗不活动的卫星或一块碎片。尽管地球附近的空间看起来很拥挤，但每个点都比它所代表的卫星或碎片大得多，而且碰撞极为罕见。（美国宇航局插图由轨道碎片计划办公室提供。
轨道物体集中在近地轨道（在该图像中几乎遮盖了地球表面）和对地静止轨道（沿外缘的卫星环所示）。（美国宇航局插图由轨道碎片计划办公室提供。
铱星碰撞产生的碎片场特别受到地球观测系统的关注，因为碎片场的中心最终将漂移穿过EOS卫星的轨道。铱星和俄罗斯卫星距离地球790公里，而EOS卫星的轨道距离地球705公里。这次碰撞产生的大部分碎片被推到了较低的高度，并且已经在705公里处造成了问题。
任务控制工程师跟踪可能进入地球观测系统轨道的轨道碎片和其他轨道卫星，并根据需要仔细计划规避机动。该团队还计划并执行了调整卫星倾角和高度的演习。该团队评估了这些计划中的演习，以确保它们不会使EOS卫星靠近已编目的轨道碎片或其他卫星。要了解任务控制中心在此类演习中的一天生活，请参阅相关文章“稳定飞行：任务控制中心调整Aquas轨道”。