卫星轨道高度的选择跟许多因素有关。首先,卫星的近地点轨道高度的选择,跟运载火箭能力的大小有关。近地点高度低,运载火箭需要的能量小;反过来,需要的能量大。其次,近地点高度是影响卫星飞行寿命的主要因素。尽管高空的空气已经十分稀薄,但是,由于卫星的速度很高,十分稀薄的空气还会产生阻力。这些阻力虽然很小,但是也会减慢卫星的飞行速度,使卫星的轨道高度渐渐降低,最终脱离轨道坠入大气层烧毁。近地点的高度越低,空气阻力的影响越大。通常,卫星近地点高度最低不能低于120千米。对于那些需要长时间飞行的卫星,必须提高近地点高度。第三,卫星的轨道高度还跟飞行任务有关。例如,执行地球照相任务的地球资源卫星和军事侦察卫星,不能把轨道高度提得太高,太高了会影响照相的分辨力探测外层空间的科学卫星,那就需要把远地点拉到几千千米,甚至几十万千米的高空。
2.极地轨道
轨道倾角为90°的人造地球卫星轨道叫极地轨道。轨道倾角是人造天体轨道要素中一个很重要的可行性。在地面上除南北极外,一切物体都因地球自转而具有向东的速度。这个速度在赤道上是每秒470米,在纬度45°的地方是每秒330米。因此轨道倾角小,向东的速度利用率就高,发射运载火箭的负担就较轻,但是地面能观测到人造天体的区域小而轨道倾角大,地面观测到人造天体的区域大,但是运载火箭发射起来负担就较重。为了让更大的地区能看到人造天体,或者为了使人造天体能看到更大的地面,倾角就应该大。像侦察、导航、气象、测地、地球资源勘探等应用卫星的轨道,大多采用大倾角的轨道和极地轨道。
人造天体运行轨道所在的平面叫“轨道面”。轨道面同赤道面重合时,轨道倾角是0°而当轨道面同赤道面相垂直时,倾角是90°。这时的人造天体将飞越地球南北两极上空,所以轨道倾角为90°的轨道就叫做“极地轨道”。另外,轨道倾角近于90°的近极地轨道,也可叫做“极地轨道”。换句话说,极地轨道就是轨道面里包含地轴的轨道。极地轨道的优点就是能够覆盖全球。
3.地球同步轨道
轨道高度为35786千米,运行周期与地球自转周期相同的顺行人造地球卫星轨道叫地球同步轨道。在这条轨道上运行的人造天体,好像是静止不动的,这种轨道最适合作为地面远距离电话、电视转播的通信卫星和导弹预警卫星的轨道。它的发射比一般圆形和椭圆形轨道要复杂得多。它的发射过程可分成三步。
首先,运载火箭将人造天体送入一个低高度有倾角的圆轨道,叫做初始轨道,一般在200千米左右,然后,当人造天体经过赤道时,运载火箭再次工作,使速度增加,进入一个远地点达到35800千米的椭圆轨道,叫做转移轨道。这个转移轨道是个非常扁的,与赤道面成倾斜的椭圆轨道,当人造天体要最后进入赤道上空的地球同步轨道时,就不仅要增加速度,而且要改变速度的方向,人造天体在进入转移轨道后,就同运载火箭分离了,最后的变轨任务要由人造天体上的远地点发动机来完成。当人造天体到达远地点时,也就是正好穿过赤道面时,调整人造天体的姿态,开动远地点发动机,使发动机推力所产生的速度与人造天体原有的速度合成以后,正好等于赤道上空地球同步轨道所必需的环绕速度,就可使人造天体从转移轨道进入赤道面上的地球同步轨道。
发射到地球同步轨道上的人造天体,必须设有远地点发动机,这与发射到其他轨道上的人造天体是不同的。有时,如果发射到同步轨道的人造天体位置不合适,还可通过地面无线电遥控指令再次开动远地点发动机,把它移到另一位置上来。
另外还要说明的一点是,人造天体的同步和相对静止都是有条件的、近似的,在同步轨道上的人造天体是处在两种力量平衡的状态。地球的引力与人造天体绕地球旋转的离心力相平衡。因此,只要有很少一点外力,就会破坏这种平衡,使人造天体漂走。例如,日、月的引力、太阳的辐射压力,地球赤道截面并非精确圆形,而使地球引力并不精确地指向地心等因素,都会使卫星逐渐漂移,离开规定的位置。要使人造天体保持在所需要的位置,采取的措施是,精确地测定人造天体的漂移规律并算出校正量,定期开动人造天体上的小型推进剂装置来校正人造天体的位置,使之保持在规定范围之内。
4.太阳同步轨道
卫星轨道平面绕地球自转轴旋转的方向与地球公转方向相同,旋转角速度与地球公转的平均角速度相同,这样的卫星轨道叫太阳同步轨道。地球是在赤道部分有些微微膨胀的扁球体。赤道微微膨胀的部分对人造天体可产生额外的吸引力,而使轨道面慢慢地转动。轨道面转动速度的大小同轨道的倾角、高度和形状有关。倾角越小,转动越快。最大时可达到每天10°左右。倾角为99°,高度为920千米的近极地圆轨道,轨道面每天顺地球自转方向转动1°,与太阳照射方向因地球公转每天顺向转动1°恰好同步。这就是所谓的太阳同步轨道。换句话说,轨道面的转动方向和周期与地球公转的方向和周期相等的轨道就叫做“太阳同步轨道”。
太阳同步轨道的优点是,轨道面和太阳方向所成的夹角大体上是一定的。因此,在太阳同步轨道运行的天体,每天在相同的时间里大体上通过同一纬度。也就是说,太阳同步轨道能使人造天体始终在同样的光照条件下观测地面。这种轨道给光学传感器创造了最适合的光照条件,并且太阳同步轨道倾角大于90°,是近极地轨道,基本上能够覆盖全球。因此,目前许多对地球照相观测的人造天体,诸如气象观测、地球资源勘测等卫星均采用太阳同步轨道。
而且,我们可以使卫星稳定在一种姿态上,使卫星上的太阳能电池始终保持受阳光照射面积最大,太阳能电池发出的电能也最大。
如果地球是一个密度均匀的球体,那么卫星绕地球飞行的轨道平面在空间的方向永远不会改变。但是,地球的密度并不是均匀分布的,它也不是真正的球形,地球的赤道部分要比两极处凸出一些,因此,地球对赤道附近物体的引力要比对两极附的物体的引力小些,这就使得绕地球飞行的卫星轨道平面绕地轴缓慢地转动轨道平面倾角不变。当卫星的轨道平面倾角小于90°的时候,轨道平面由东往西转动和地球自转的方向相反,这种转动叫做“退行”当卫星的轨道平面倾角大于90°的时候,轨道平面就由西往东转动和地球自转的方向相同,这种转动叫做“进动”。轨道平面的“退行”和“进动”,也就是轨道的升交点角发生变化。
如果卫星的轨道平面每天进动1,正好和地球绕太阳公转的角速度相同地球每年绕太阳转动1周,每天绕太阳转过大约1°这样,太阳和卫星轨道平面之间始终保持一定的相对位置。
5.回归轨道
卫星下点轨迹周期性重叠出现的人造地球卫星轨道叫回归轨道。在回归轨道上运行的人造卫星,每经过一个回归周期,卫星重新依次经过各地上空。这样可以对卫星覆盖的区域进行动态监视,借以发现这一段时间内目标的变化。侦察卫星、气象卫星、地球资源卫星大都选择这种轨道。
6.在卫星轨道设计中,再多选择一些参数,还可以设计出兼有两种卫星轨道特点的卫星轨道。如太阳同步回归轨道,兼有太阳同步轨道和回归轨道的特性。倾角稍大于90°的太阳同步轨道就兼有极地轨道的特点。在这种轨道上运行的人造卫星就能执行更多的任务。
卫星轨道的选择,是根据卫星的任务和应用要求确定的。如对地面摄影的地球资源卫星,照相侦察卫星常采用近圆形的低轨道,通讯卫星常采用地球静止和地静同步轨道。为了节省发射卫星的能量,常采用顺行轨道为了使卫星对全球进行观察或使卫星始终在同一时刻过地球某地上空,则需要采用极地轨道或太阳同步轨道为了使卫星对地球上的目标进行动态跟踪,则需采用卫星回归轨道。
特定的卫星轨道是为卫星执行特定任务而设定的。为了保持轨道精度,克服轨道误差和抵消摄动力引起的漂移,卫星还需要装设轨道控制系统,使卫星具有轨道修正能力以保证卫星能在所设定的轨道上运行。