业余卫星空间轨道的运行方式

2.3　业余卫星空间轨道的运行方式

卫星轨道可分为同步轨道、非同步轨道。非同步轨道又可分为高轨道（HEO）、中轨道（MEO）和低轨道（LEO），而同步卫星一般都运行在高度为36 000千米的地球静止轨道上，优点是只需三四颗卫星就能覆盖全球。低轨道非同步卫星一般运行在高度为500～1 000千米间的轨道上，有的从地球的南北两极经过，其特点是离地较近信号比较好，只需很小的功率就可完成地面、卫星、地面三方通信，但它的缺点是覆盖范围小，而且随时在移动。

常用的业余卫星分为低轨道（LEO）和长椭圆轨道（HEO）两种。低轨道卫星的高度一般在300至1 700千米间，大多低轨卫星的高度仅比航天飞机的略高，而长椭圆轨道卫星的飞行高度的近地点在2 500至4 000千米之间，远地点则会在20 000至45 000千米。还有地球静止轨道（GEO），它的高度是36 000千米。以及位于LEO与HEO轨道之间的中地球轨道（MED/ICO）卫星，其高度范围从6 000至20 000千米。

1.轨道高度

根据牛顿定律，环绕地球飞行的人造物体，高度达到250千米以上，理论上可保持离心力与地心引力相等而不会坠落，因此人造卫星轨道高度，可分为下列几个区间：

◆低轨道：300千米～1 700千米

◆中轨道：1 700千米～20 000千米（高辐射线的“范亚伦带”就在此范围）

◆高轨道：20 000千米以上

2.轨道特性

◆300千米以下：

这个高度适合空间站、太空实验室或载人飞行器，如航天飞机、国际太空站（ISS）及短期的实验卫星等。早期业余卫星大多在此高度，但因少许太空微尘产生的阻力而减速及地球微重力吸引，卫星的高度会逐渐下降。如果卫星携带了推进器，就可以随时调整轨道高度而避免坠毁。飞行在这个高度的卫星，优点是有利于观察地球，特别是可以使用较小的功率来进行通信；缺点是通信时间短，每次最多只有9分钟左右。

◆300～600千米：

长时间环绕地球的太空站最有效益的高度是在500千米左右。目前国际空间站（ISS）的高度约为400千米，中国“天宫一号”目标飞行器的飞行高度约338千米。这个高度对负载较重且需要定期人员货物交换的宇宙飞船比较适合。不少科学实验卫星也会选择这个高度，因为这个高度不但易于观测地球，而且通信时间有所延长。

◆600～1 000千米：

绝大多数的卫星都会选择这个高度，地球引力不大，但卫星信号涵盖范围却相当大。如在800千米高度，其通信范围就可涵盖几乎整个中国。这个高度也使每次可通信时间最长可达15分钟，而且每天可飞经中国上空6～8次。

◆1 000～1 700千米：

如果卫星与内部设备具有较好的防护罩（通常是轻金属——钛），卫星就能够抵挡住各种辐射，那就可以在这个高度飞行。卫星再次扩大了通信范围和每次通信时间。以业余卫星RS 15为例，其轨道平均高度在2 000千米左右，只要轨道位置恰当，通过这个卫星在中国沿海地区就可以和澳大利亚实现通联。

◆1 700～20 000千米：

具有高辐射线的“范亚伦带”就在这个范围内，只有极少数卫星运行在这一高度，大多往往会选择“穿过”这一层运行，因为在这一太空层的工作的卫星极易损毁。

◆20 000千米以上

在这个轨道的高度几乎没有普通的商用卫星，因为要把卫星送上这个高度需要高推力火箭（发射成本很高）。因此只有少数圆轨道卫星，如美国的全球定位卫星GPS、俄罗斯的导航卫星GLONASS，位于赤道上空的地球同步卫星（通信、气象及广播等用途）。业余卫星有AO 10（最高点达36 000千米），和在计划中的AO 40业余卫星（最高点58 000千米）等，才会攀上这个高度。不同轨道高度的业余卫星，是决定通信能力大小的关键要素（见表2 1）。

3.业余卫星椭圆轨道分类

目前发射的业余卫星基本上都是在中低轨道运行的地球非同步轨道卫星，它们以椭圆轨道运行。国际上把业余卫星的轨道运行方式分为：phase1/2/3/4四种主要类型^[1]（见图2－4）。

表2－1　业余卫星飞行高度与通信性能对照表

图2－4　业余卫星轨道分类

在曾经发射和目前在轨运行的业余卫星中：奥斯卡－1号至5号属于phase1轨道；奥斯卡－6号至8号属于phase2轨道；奥斯卡－10号至13号属于phase3轨道；而phase4静止卫星尚在规划和设计过程中，预计将于2015年前后发射升空，届时业余无线电爱好者将拥有地球同步轨道的业余通信卫星。另外在规划中的还有围绕月球或火星飞行的phase5业余卫星，不过还在设计制作过程中。

中国的“希望1号”业余卫星属于phase2轨道方式，在高度1 000千米左右的椭圆轨道运行，围绕地球飞行一周约需2小时。

4.第一宇宙速度和万有引力

由于人造卫星围绕地球飞行，因此离不开圆周运动所需的向心力，这就是由地球质量所产生的万有引力。

人造卫星发射时需要达到多大的飞行速度才不会落到地面上来呢？我们可用简单的物理公式进行计算。

为了简化运算，假定卫星的轨道是以地球中心为圆心的圆周（见图2－5）。

图2－5　卫星与地球距离位置示意图

人造卫星的质量为m，与地心的距离R是地球半径r与离地高度H之和。运行速度v，地球质量为M，就可以有下列等式：

对于靠近地面飞行的人造卫星，可以认为这里的R≈r，取6.4×10⁶ m，M取6.0×10²⁴ Kg，则卫星的速度

因此7.9千米/秒的飞行速度称为第一宇宙速度。这是低轨道卫星相对于地球必须达到的速度，否则会受地球引力的吸引而不断降低高度，最终坠落，因此也称为“环绕速度”。

思考与实践

1.静止轨道通信卫星是否真的不运动？如果它是运动的，那它的速度大约会是多少？（地球半径以6 400千米计算，自转一周以24小时计算，卫星在离开地面36 000千米的赤道上空）

2.思考：我国在1970年4月24日成功地发射了第一颗人造地球卫星，其近地点439千米，远地点为2 384千米，卫星运转周期的时间是多少？

解答：所谓运转周期是指绕行地球一周的时间，根据人造卫星在离地高度h处做匀速圆周运动所受的向心力与万有引力提供的关系可以列出：

所以

已知：地球半径R=6.4×10⁶ m　　地球质量M=6.0×10²⁴ Kg

平均高度

代入推导公式，可得出人造卫星的运转周期：

“东方红一号”绕地球一周的时间为114分钟。

3.计算：“希望一号”业余卫星绕地周期为109分钟，根据上面的实例，试推算它离开地面的平均高度约是多少？

【注释】

[1]徐坚、郑维强编译：《JARL业余无线电手册》，人民邮电出版社1995年8月版，第142页。