太陽同步軌道

由於地球扁率(地球不是圓球形，而是在赤道部分隆起)，衛星軌道平面繞地球自轉軸旋轉。如果衛星軌道平面繞地球自轉軸的旋轉方向和角速度與地球繞太陽公轉的方向和平均角速度相同，則這種衛星軌道叫太陽同步軌道。簡單的說就是衛星、太陽、地球保持三點一線。太陽同步軌道是軌道平面繞地球自轉軸旋轉的，方向與地球公轉方向相同，旋轉角速度等於地球公轉的平均角速度(360度/年)的軌道，它距地球的高度不超過6000千米。在這條軌道上運行的衛星以相同的方向經過同一緯度的當地時間是相同的。氣象衛星、地球資源衛星一般採用這種軌道。

基本介紹

• 中文名：太陽同步軌道
• 外文名：Sun-synchronous orbit
• 別稱：近極地太陽同步衛星軌道
• 軌道傾角：接近90°
• 範例：ODIN衛星
• 遵循定律：克卜勒行星運動三定律

簡介

同步軌道計算要素所謂太陽同步軌道是指衛星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向。由於這種軌道的傾角接近90°，衛星要在極地附近通過，所以又稱它為近極地太陽同步衛星軌道。為保持軌道平面始終與太陽保持固定的取向，在衛星隨地球繞太陽公轉時，軌道平面每天要自西向東作大約1°的轉動。但是若地球是個均勻球體，當地球繞太陽公轉時，軌道平面隨地球作平動，則軌道平面不能保持與太陽有固定的取向。事實上由於地球是個扁橢球體，這種扁橢球體上的各點對衛星的引力不等，使衛星的軌道平面繞地軸朝著與衛星運動相反方向旋轉，即軌道平面的進動。若選定合適的傾角（大於90°）使衛星軌道平面的進動為1°，正好使軌道平面與太陽始終保持固定的取向。這樣就實現了太陽同步軌道。在這種軌道上的衛星以固定的地方時觀測地球大氣，有較固定的光照條件。對獲取可用的資料、資料的接收、軌道的計算等都十分方便。 如果讓衛星軌道平面在空間的轉動與太陽在空間的視運動一致，則衛星軌道稱為太陽同步軌道。衛星稱為太陽同步衛星。這時太陽視線與衛星軌道平面的夾角不變，當衛星每次飛越某地上空時，太陽都是從同一角度照射該地，亦即，衛星每次都在同一當地時間經過該地，這對照相偵察衛星、氣象衛星、資源衛星都很有利，因為每次對某地拍攝的照片都是在同一照度下取得的，通過對比，可以獲得更多的信息。軌道平面繞地球自轉軸旋轉的方向與地球公轉方向相同、旋轉角速度等於地球公轉的平均角速度(0.9856度/天或360度/年）的人造地球衛星軌道。從太陽同步軌道的半長軸、偏心率和傾角須滿足的數學公式可知，該軌道的傾角大於90°，即為一條逆行軌道。其高不會超過6000千米。太陽光對於這種軌道的軌道面的入射角在一年內的變化最小。此外，在太陽同步軌道上運行的衛星，以相同方向經過同一緯度時的當地時間（地方平太陽時）相同，因此衛星在經過同緯度地時是有相近的光照條件。大多數利用太陽能電池作為電源或帶有可見光遙感器的長壽命遙感衛星都採用太陽同步軌道。通常還用衛星過降交點時的當地時間作為太陽同步軌道的一個重要參數，稱為降交點地方（平太陽）時。

計算公式

軌道平面繞地球自轉軸旋轉的方向與地球的公轉方向相同、旋轉角速度等於地球公轉的平均角速度（即0.9856°/d或360°/a）的人造地球衛星軌道。太陽同步軌道的半長軸α、偏心率e和傾角i;這3個軌道要素必須滿足以下關係式：

Cosi=-4.7737×10-15 (1-e)2a(7/2)

式中a的單位為km。由該式可知，太陽同步軌道的傾角必須大於90°，即它是一條逆行軌道。在圓軌道時，傾角最大為180°，所以太陽同步軌道的高度不會超過6000km。在太陽同步軌道上運行的衛星，從相同的方向經過同一緯度的當地時間是相同的。例如，衛星最初由南向北（升段）經過北緯40°上空是當地時間早晨8點。由於地球公轉，即使地方時相同，不同季節的地面光照條件也有明顯差別。但在一段不長的時間內光照條件可視為大致相同。選擇適當的發射時間，可以使衛星經過一些地區時，這些地區始終有較好的光照條件，這樣衛星在這些地區的上空始終處於太陽光的照射下，不會進入地球陰影，太陽電池可以充足供電而不會中斷。傾角大於90°的太陽同步軌道還兼有極軌道的特點，可以俯瞰整個地球表面。氣象衛星、地球資源衛星一般都選取太陽同步軌道，以使拍攝的地面目標圖像最好。太陽同步軌道的精度要求很高。為了較長時間保持與太陽“同步”，衛星需要配備軌道控制系統，用於修正軌道誤差和不斷克服攝動力的影響。

理論定義

太陽同步軌道的理論定義是：軌道平面進動方向與地球公轉方向大致相同，進動角速率等於地球公轉平均角速率（0.9856度/日或360度/年）的人造地球衛星軌道。其實，說簡單一點，就是能保證衛星每天以相同方向經過同一緯度的當地上空的軌道。因為，我們知道，衛星運行的周期是由的處的軌道決定的，因此，這樣的軌道是可以確定的。

選擇太陽同步軌道，能保證衛星每天在特定的時刻經過指定地區，這當然便於我們獲得最好的太陽光條件，從而得到高質量的地面目標圖像，這就是氣象衛星、資源衛星通常選擇太陽同步軌道的原因。茫茫星空，有心人會發現，有些衛星幾乎總是在同一時刻出現的天空中的同一位置，奇怪嗎？其實一點也不奇怪，因為它們處在地球同步軌道上。所謂地球同步軌道，就是沿這個軌道走一圈所需的時間恰好與地球自轉的周期（23小時56分4秒）相同。也許有人會說，那么如果走得速度快慢不一，那得到的時間不也就不同了嗎。其實，按照天體運行規律，每條軌道上運行的物體的速度是固定的。因此，不用擔心會出現時間上的不一致性。

太陽同步軌道示意圖

那么，地球同步軌道有什麼用呢？構想一下，如果我們想每天監視地球上的同一個地方，我們的衛星該放在哪兒？當然是地球同步軌道。再如象俄羅斯，它處於高軌地區，常用的靜止軌道衛星無法覆蓋，如果想實現衛星通信，太陽同步軌道是再好的選擇。事實上，俄羅斯的“閃電”通信衛星也正是這樣選擇運行軌道的

運行要素

軌道平面繞地球自轉軸旋轉的方向與地球公轉方向相同、旋轉角速度等於地球公轉的平均角速度(即0.9856度/天或360度/年)的人造地球衛星軌道。太陽同步軌道的半長軸、偏心率和傾角這三個軌道要素須滿足下式： cosi=-4.7736×10-15(1-e2)2a7/2式中a為軌道半長軸，e為偏心率，i為傾角。由公式可以得知：太陽同步軌道的傾角必須大於90°，即它是一條逆行軌道。在圓軌道時，傾角最大為180°,所以太陽同步軌道的高度不會超過6000公里。

在太陽同步軌道上運行的衛星，以相同方向經過同一緯度的當地時間是相同的。例如衛星由南向北（升段）經過北緯40°上空是當地時間早晨8點,以後升段經過北緯40°都是當地時間早晨8點。由於地球公轉,即使時間相同，不同季節的地面光照條件也有明顯差別。但是在一段不長的日子裡光照條件大致相同。選擇適當的發射時間，可以使衛星經過一些地區時這些地區始終具有比較好的光照條件，並且衛星在這些地區的上空始終處在太陽光的照射下，不會進入地球陰影，這時太陽電池可以充足供電而不會中斷。傾角稍大於90°的太陽同步軌道還兼有極軌道的特點，可以俯瞰整個地球表面。

太陽同步軌道

氣象衛星、地球資源衛星和照相偵察衛星一般都取太陽同步軌道，以使拍攝的地面目標的圖像最好。太陽同步軌道對於軌道的精度要求較高，為了較長時間都能與太陽“同步”，衛星需要設有軌道控制系統，用於修正軌道誤差和不斷克服攝動力影響（見軌道保持）。

克卜勒

人造地球衛星繞地球運行遵循克卜勒行星運動三定律。（1）衛星軌道為一橢圓，地球在橢圓的一個焦點上。其長軸的兩個端點是衛星離地球最近和最遠的點，分別叫做遠地點和近地點。（2）人造地球衛星在橢圓軌道上繞地球運行時，其運行速度是變化的，在遠地點時最低，在近地點時最高。速度的變化服從面積守恆規律，即衛星的向徑（衛星至地球的連線）在相同的時間內掃過的面積相等。（3）人造地球衛星在橢圓軌道上繞地球運行，其運行周期取決於軌道的半長軸（與半長軸的二分之三次方成正比）。不管軌道形狀如何，只要半長軸相同，它們就有相同的運行周期。人造地球衛星軌道的形狀和大小由它的半長軸和半短軸的數值來決定。其半長軸和半短軸的數值越大，軌道越高；半長軸與半短軸相差越多，軌道的橢圓形越扁長；並長軸與半短軸相等則為圓形軌道。

衛星軌道平面與地球赤道平面的夾角叫軌道傾角，它是確定衛星軌道空間位置的一個重要參數。軌道傾角小於90o為順行軌道；軌道傾角大於90o為逆行軌道；軌道傾角為0o則為赤道軌道；軌道傾角等於90o，則軌道平面通過地球南北極。

同步軌道只有一條可容納衛星

就是通過地球南北極的衛星軌道平面，每天向東移動0.9856度,這個角度正好是地球繞太陽公轉每天東移的角度。軌道高度在700千米至1000千米之間,運行於此軌道的衛星。衛星總是在相同的當地時間從相同的方向經過同一緯度，例如衛星從南向北經過北緯40度的當地時間是清晨8點，以後也總是在當地時間早8點由南向北經過北緯40度，這樣的衛星像太陽一樣，在同一季節里，總是在當地同一時間從相同方向出現，因此稱為太陽同步衛星。這類衛星的特點是：只要設計好軌道、發射時間，就可以使某一地區在衛星經過時總處於陽光照射下，太陽能電池不會中斷工作，可以拍攝下最好的圖像，資源衛星、照相衛星、氣象衛星多屬此類。

衛星舉例

太陽同步軌道衛星，軌道傾角大於90度且在兩極附近通過，所以也為近極軌衛星，它的軌道面與太陽的取向一致，所以叫太陽同步衛星。每天向東移動0.9856度,這個角度正好是地球繞太陽公轉每天東移的角度。

太陽同步軌道不同季節示意圖

下面結合當前研究內容，以ODIN衛星為例理解一下：

衛星軌道面與太陽取向一致，則衛星不像地球同步衛星一樣隨地球自轉而轉動，即衛星只有沿軌道方向速度，沒有沿地球自轉方向即自西向東方向旋轉速度。嚴格地說，還是有自西向東的速度的，因為地球在自西向東公轉，所以衛星要保持軌道面與太陽取向一致，必須有一個與地球公轉一致的角速度，即360度/（365天）=0.9863度/天。

衛星總是在相同的地方時經過同一位置。比如，每天上午10：00經過長春上空，每天下午4：00經過武漢。ODIN衛星周期為96分鐘，而一天是24*60分鐘，所以衛星一天繞地球轉24*60/96=15圈。如此，看來，衛星每天重複一次軌道運行，即只經過長春或武漢一次。這樣，每一圈軌道觀測地球不同的地方，以達到觀測全球的目的，第二天上午10：00又回來觀測長春。其實，這是衛星軌道沒變化，地球自己轉動了，衛星一圈需時96分，地球自轉96/（24*60/360）=24度，地球有360/24=15個24度，於是，衛星在一天繞地球轉15圈。而且，在一個短時期內，一地區太陽照射情況不會有太大變化，所以可以對一個地區相同的太陽照射情況進行多次觀測。

ODIN衛星軌道傾角為97.8度，如圖1所示，春分和秋分時，白天和黑夜分界線與赤道垂直，所以，軌道線北半球在白天，南半球在黑夜，即探測不到太陽輻射；夏至時，更是這樣，而且白天時離太陽更近；冬至時，與夏至相反，衛星經過北半球是黑夜，經過南半球是白天。因為衛星軌道面與太陽取向一致，所以不會出現，同一天或同一段短時期，不會出現一會兒衛星在北半球白天南半球黑夜，一會兒又跑到北半球黑夜南半球白天的現象，必須換季才能出現這樣的情況。當然，當太陽直射南半球的時候，會出現衛星在黑夜和白天分界線的位置上運行，這樣衛星一直探測的是黎明或黃昏的太陽輻射了。

圖2 衛星軌道角、緯度、太陽天頂角對應關係

ODIN衛星升交點為18：00，衛星0度時在當地時太陽落山時候，90度時當地為正午，180度時為當地日出時候，270度為午夜，360又為當地太陽下山時。

典型軌道類型

地球同步軌道

衛星在順行軌道上繞地球運行時，其運行周期(繞地球一圈的時間)與地球的自轉周期相同。這種衛星軌道叫地球同步軌道。 對應的衛星叫地球靜止衛星軌道。如果地球同步軌道衛星正好在地球赤道上空離地面35786千米的軌道上繞地球運行，由於它繞地球運行的角速度與地球自轉的角速度相同，從地面上看去它好像是靜止的，這種衛星軌道叫地球靜止衛星軌道。地球靜止衛星軌道是地球同步軌道的特例，它只有一條。

太陽同步軌道

由於地球扁率(地球不是圓球形，而是在赤道部分隆起)，衛星軌道平面繞地球自轉軸旋轉。如果衛星軌道平面繞地球自轉軸的旋轉方向和角速度與地球繞太陽公轉的方向和平均角速度相同，則這種衛星軌道叫太陽同步軌道。簡單的說就是衛星、太陽、地球保持三點一線。太陽同步軌道是軌道平面繞地球自轉軸旋轉的，方向與地球公轉方向相同，旋轉角速度等於地球公轉的平均角速度(360度/年)的軌道，它距地球的高度不超過6000千米。在這條軌道上運行的衛星以相同的方向經過同一緯度的當地時間是相同的。氣象衛星、地球資源衛星一般採用這種軌道。

極地軌道

傾角為90度的軌道，在這條軌道上運行的衛星每圈都要經過地球兩極上空，可以俯視整個地球表面。氣象衛星、地球資源衛星、偵察衛星常採用此軌道。