地球的自轉(zhuǎn)軸與地球公轉(zhuǎn)平面并不垂直，因此，黃道面和地球赤道面并不重合，而是有大約23.4°的夾角，通常被稱為黃赤交角，也稱為轉(zhuǎn)軸傾角、傾角（obliquity）或軸交角（axial inclination），

1. 地球自轉(zhuǎn)

由于地球并非完美的球體，所以并不能用一個值來表達地球的實際半徑。但由于地球的形狀很接近球體，用6,357km到6,378km(≈3,950 - 3,963英里)的范圍值可以涵蓋需要的所有半徑。從數(shù)種把地球當(dāng)做球體的建模方法都可以得到一個較方便的平均半徑，這個值為6371km(≈3,958.7613英里)。

地球自轉(zhuǎn)是固體的地球繞著自己的軸轉(zhuǎn)動，方向是由西向東。從天球的北極點鳥瞰，地球自轉(zhuǎn)是逆時針旋轉(zhuǎn)；從南極點上空看是順時針旋轉(zhuǎn)。 所以地球是由西至東自轉(zhuǎn)的。

1.1 真正周期

地球自轉(zhuǎn)的周期是一個恒星日，目前其值為23時56分4秒。但是近年來地球自轉(zhuǎn)周期在緩慢增加（即轉(zhuǎn)速緩慢減小），導(dǎo)致需要對全球計時器進行調(diào)整，例如2005年12月31日全球鐘表統(tǒng)一加一秒。這樣的調(diào)整稱為閏秒。

1.2 轉(zhuǎn)動速度

地球自轉(zhuǎn)的角速度大約是每小時15度；而表面每點的線速度隨緯度而變化，是赤道的線速度乘以緯度的余弦。因此赤道的線速度是最大的，兩極的線速度最小，而赤道線的速度約465.1 m/s。

2. 地球公轉(zhuǎn)

地球環(huán)繞太陽的運動稱為地球公轉(zhuǎn)。因為同地球一起環(huán)繞太陽的還有太陽系的其他天體，太陽是它們共有的中心天體，故被稱為“公”轉(zhuǎn)。方向是自西向東，從北天極看呈逆時針，從南天極看呈順時針。周期為1個恒星年，需時365日6時9分10秒。軌道是近似正圓的橢圓，太陽位于其中一個焦點上。

2.1 軌道

地球在公轉(zhuǎn)中所形成的封閉軌跡，稱為地球軌道。其在天球上的投影，稱為黃道。
地球軌道所在的平面稱為地球的軌道面，也稱為黃道面。

2.2 參數(shù)

地球軌道是一個橢圓，太陽位于其中的一個焦點上，具體參數(shù)如下：

半長軸：149,600,000公里
半短軸：149,580,000公里
半焦距：2,500,000公里
周長：940,000,000公里
偏心率：0.0167
扁率：1:7000

2.3 近日點和遠日點

在地球的公轉(zhuǎn)軌道上，有一點距離太陽最近，稱為近日點，有一點離太陽最遠，稱為遠日點。如：1982年，地球經(jīng)過近日點的時間是1月4日19時，經(jīng)過遠日點的時間是7月4日22時。由于近點年比回歸年長25分7秒，所以地球經(jīng)過近日點和遠日點的日期，每57年要推遲一日。

中距點：即軌道橢圓短軸的兩端。如：1982年4月3日和10月5日時地球經(jīng)過中距點。

2.4 公轉(zhuǎn)速度

平均角速度是每年360度，即每日59分。平均線速度為每年940,000,000公里，即約每秒29.79公里。即時角速度和即時線速度變化，在能量守恒的前提下，離太陽越近，位能越小，動能則越大，即時線速度和即時角速度就越大。在角動量守恒的前提下，即在相等長度的時間內(nèi)，地球、太陽連線所掃過的面積是固定值。

定義方向周期角速度線速度

自轉(zhuǎn)	繞自轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動	自西向東	1恒星日23小時56分4秒	除南、北兩極外，角速度大小一致，15°/天 從赤道向兩極遞減、南北兩極為0
公轉(zhuǎn)	繞太陽的運動	自西向東	1恒星年365日6時9分10秒	平均1°/天 平均30千米/秒，近日點較快，遠日點較慢

3. 月球的運動

3.1 月球公轉(zhuǎn)

月球以橢圓軌道繞地球運轉(zhuǎn)。這個軌道平面在天球上截得的大圓稱“白道”。白道平面不重合于天赤道，也不平行于黃道面，而且空間位置不斷變化。周期27.32日。月球軌道（白道）對地球軌道（黃道）的平均傾角為5°09′。但是已知月球平均每年以3.8cm的速度逐漸與地球離去。

3.2 月球自轉(zhuǎn)

月球在繞地球公轉(zhuǎn)的同時進行自轉(zhuǎn)，周期27.32166日，正好是一個恒星月，所以我們看不見月球背面。這種現(xiàn)象我們稱“同步自轉(zhuǎn)”，或“潮汐鎖定”，幾乎是太陽系衛(wèi)星世界的普遍規(guī)律。一般認為是衛(wèi)星對行星長期潮汐作用的結(jié)果。天平動是一個很奇妙的現(xiàn)象，它使得我們得以看到59%的月面。主要有以下原因：
（1）在橢圓軌道的不同部分，自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)角速度不匹配。
（2）白道與赤道的交角。
月球每小時相對背景星空移動半度，即與月面的視直徑相若。與其他衛(wèi)星不同，月球的軌道平面較接近黃道面，而不是在地球的赤道面附近。相對于背景星空，月球圍繞地球運行（月球公轉(zhuǎn)）一周所需時間稱為一個恒星月；而新月與下一個新月（或兩個相同月相之間）所需的時間稱為一個朔望月。朔望月較恒星月長是因為地球在月球運行期間，本身也在繞日的軌道上前進了一段距離。

4. 地球同步軌道

地球同步軌道（英語：Geosynchronous orbit，GSO），衛(wèi)星的軌道周期等于地球的自轉(zhuǎn)周期，且方向亦與之一致，見同步軌道。若軌道平面與地球赤道平面重合，即衛(wèi)星與地面的位置相對保持不變，則稱為地球靜止軌道。

實現(xiàn)地球同步軌道，需滿足下列條件：

• 衛(wèi)星運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同；
• 軌道偏心率為0，即軌道是圓形的；
• 軌道周期等于地球自轉(zhuǎn)周期為1恒星日(23小時56分4秒)，靜止衛(wèi)星的高度為35786公里。

通訊衛(wèi)星常使用于這種軌道，但導(dǎo)航衛(wèi)星則否。

4.1 地球同步軌道高度的推導(dǎo)

5. 地球靜止軌道

地球靜止軌道（或稱地球赤道同步軌道，英語：geostationary orbit，簡寫：GEO）是指地球赤道面上方35,786km的圓形軌道，該軌道上航天器的運行方向和地球自轉(zhuǎn)方向一致。在地球靜止軌道上的航天器繞地球運行一周的時間和地球自轉(zhuǎn)周期（一恒星日）相同，因此，在地面觀測者看來，這樣的航天器是在天空固定不動的。通信衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星一般運行在靜止軌道，因此地面站天線只要對準衛(wèi)星的定點位置就可以通訊，而不用轉(zhuǎn)動天線。利用這個特點，把攜帶有可見光和近紅外光傳感器的海洋衛(wèi)星發(fā)射到靜止軌道上，這樣就可以監(jiān)測海洋環(huán)境的細微變化，比如GOCI衛(wèi)星。

地球靜止軌道是地球同步軌道的一個特例，二者之間有一些區(qū)別，地球同步軌道上的衛(wèi)星每天在同樣的時間通過地球上的同一個點，而地球靜止軌道上的衛(wèi)星一直固定在定點位置不動。
二者的區(qū)別有三：

• 軌道傾角有區(qū)別：地球同步軌道不一定在赤道面上方。
• 觀察者看到的現(xiàn)象不同：地球同步軌道上的衛(wèi)星每天以相同的時間通過地球上的同一個點，地面觀察者看到衛(wèi)星是移動的；而地球靜止軌道上的衛(wèi)星一直固定在其定點位置不動。
• 星下點軌跡不同：地球同步衛(wèi)星的星下點軌跡是一條8字形的封閉曲線。

5.1 實際應(yīng)用

大多數(shù)商用通信衛(wèi)星、廣播電視衛(wèi)星和輔助定位衛(wèi)星運行在靜止軌道上。通常情況下，低軌道衛(wèi)星通過轉(zhuǎn)移軌道進入到靜止軌道。第一顆發(fā)射到靜止軌道的衛(wèi)星是美國的Syncom-3衛(wèi)星，1964年由德爾塔D火箭發(fā)射。

在全球范圍內(nèi)，運行著各種氣象衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，用以提供地表和大氣的可見光與紅外圖像，這些衛(wèi)星系統(tǒng)包括：

美國的GOES
歐空局發(fā)射的Meteosat，該系統(tǒng)由歐洲氣象衛(wèi)星組織EUMETSAT負責(zé)運行
日本的Himawari
中國的“風(fēng)云”系列衛(wèi)星
印度的INSAT系列衛(wèi)星

5.1.1 軌道穩(wěn)定性

地球靜止軌道只能分布在赤道上空大約35,786 km的地方，在這個高度上，軌道速度為3.07 km/s，軌道周期為1,436分鐘，很接近一個恒星日(23. 934461223小時)。這確保了衛(wèi)星的運行周期和地球自轉(zhuǎn)周期一致，因此衛(wèi)星的星下點在地面固定不動。所以，所有的靜止軌道衛(wèi)星都必須運行在這條軌道上。

靜止軌道上的航天器受到日月引力和地球扁率的疊加影響，導(dǎo)致其軌道平面不斷發(fā)生進動。軌道進動周期約為53年，傾角的初始變化率約為0.85°/年，這導(dǎo)致每過26.5年傾角達到最大值15°。為了修正這項軌道攝動，航天器需要進行定期的軌道保持機動，每年用于修正傾角的總速度增量大約為50m/s。

第二個要考慮的效應(yīng)是經(jīng)度的漂移，這是由地球非球形導(dǎo)致的——赤道略呈橢圓形。靜止軌道上有兩個穩(wěn)定的平衡點(75.3°E和104.7°W)和兩個不穩(wěn)定的平衡點(165.3°E和14.7°W)。位于靜止軌道平衡點之間的航天器，在沒有任何機動的情況下，會緩緩朝著兩個穩(wěn)定平衡點加速移動，這導(dǎo)致了經(jīng)度的周期性變化。為了修正經(jīng)度漂移效應(yīng)，靜止軌道衛(wèi)星每年共需要大約2m/s的速度增量來進行位置保持機動，具體的數(shù)值取決于衛(wèi)星的定點經(jīng)度。

太陽風(fēng)和輻射光壓也會對衛(wèi)星產(chǎn)生微小的作用力，隨著時間增長，這些作用力會使得衛(wèi)星逐漸漂移，最終離開其標(biāo)稱軌道。

在缺乏來自地球的維護服務(wù)和可再生推進劑的情況下，衛(wèi)星位置保持任務(wù)消耗的推進劑限制了其壽命。目前使用的霍爾效應(yīng)推進器是一種高效的電推進系統(tǒng)，將有可能延長衛(wèi)星的使用壽命。

5.1.2 通信

靜止軌道衛(wèi)星距離地面相當(dāng)遙遠，所以地面與衛(wèi)星的通信延遲很明顯。信號從一個地面站到衛(wèi)星再返回到另外一個地面站所需的時間大約為0.25秒，也就是說，信號從地面站A到達地面站B再返回地面站A所經(jīng)歷的時間接近0.5秒。

地球靜止軌道衛(wèi)星位于赤道的正上方，但越往南或往北，靜止衛(wèi)星在天空中的角度就越低。隨著觀測者的緯度增加，與衛(wèi)星的通信變得更加困難，這是由于大氣折射、地球熱輻射、視線阻隔和地面與建筑物信號反射等因素的影響。當(dāng)緯度高于81°時，靜止軌道衛(wèi)星將低于地平線，不可能被觀測到。因此，俄羅斯的通信衛(wèi)星采用橢圓的閃電軌道和凍原軌道，這種軌道上的衛(wèi)星在高緯度地區(qū)的可見性極好。

5.1.3 軌道分配

靜止軌道衛(wèi)星都必須分布在赤道上空的同一個圓環(huán)上。在運行過程中，為了避免衛(wèi)星受到不良的頻率干擾，需要把靜止軌道衛(wèi)星分開來放置，這就意味著軌道位置是有限的，因此，靜止軌道上運行的衛(wèi)星數(shù)量也是一定的。不同國家為爭得同一靜止軌道位置（如經(jīng)度相同而緯度不同的國家）和頻率資源會發(fā)生矛盾，這樣的矛盾可以通過國際電信聯(lián)盟的軌道分配機制來協(xié)調(diào)解決。1976年，8個赤道國家通過了波哥大宣言，宣稱這些國家擁有其領(lǐng)土上空靜止軌道的主權(quán)，但這個宣言從未被國際社會承認[7]。

5.1.4 靜止軌道衛(wèi)星壽命

當(dāng)靜止軌道衛(wèi)星的燃料耗盡時，將不可能保持在之前的軌道位置，衛(wèi)星的服務(wù)壽命就結(jié)束了。一般來說，衛(wèi)星的推進劑耗盡時，其轉(zhuǎn)發(fā)器以及星上其他系統(tǒng)還能正常工作。如果停止進行南北位置保持控制，一些衛(wèi)星可以繼續(xù)在傾斜軌道上運行（其星下點以赤道為中心畫“8”字圖案）?；蛘?#xff0c;可以把衛(wèi)星軌道提升到“墳?zāi)埂避壍捞幚淼簟?/p>

2019年4月，國際通信衛(wèi)星組織29e衛(wèi)星僅運行3年就因推進劑泄漏而解體，碎片威脅該軌道其他衛(wèi)星的運營安全。

5.2 高度計算

地球靜止軌道、伽利略定位系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（GPS）、格洛納斯系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、國際太空站及哈勃望遠鏡的半徑比較圖。另外，月球軌道半徑（385,000公里）是地球靜止軌道的大約9倍。

6. 太陽同步軌道

太陽同步軌道（Sun-synchronous orbit或簡寫成SSO，有時被錯誤的稱為另一種 heliosynchronous orbit）指的就是衛(wèi)星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向，軌道的傾角（軌道平面與赤道平面的夾角）接近90度，衛(wèi)星要在兩極附近通過，因此又稱之為近極地太陽同步衛(wèi)星軌道。為使軌道平面始終與太陽保持固定的取向，因此軌道平面每天平均向地球公轉(zhuǎn)方向（自西向東）移動0.9856度（即360度/年）。

from wiki
太陽同步軌道是一種結(jié)合高度和傾角的近地軌道，使這個物體無論在升交點、降交點或軌道上任何的一點，在地球表面同一個點的上方時都在相同的平太陽時，即表面每次都接近相同的照明角度。這種在可見光或紅外線波長上有著一致光源的地球影像（例如氣象和間諜衛(wèi)星）和其它的遙測衛(wèi)星（例如攜帶遙測海洋和大氣，需要陽光的遙測儀器衛(wèi)星）是有用的衛(wèi)星特征。例如，一顆太陽同步衛(wèi)星一天可以在升交點越過地球赤道12次，而每次都約在地方平時15:00經(jīng)過。這獲得一個相對于地球在天球上環(huán)繞著太陽公轉(zhuǎn)的平面每天向東約一度的進動（旋轉(zhuǎn)）密切的軌道。
太陽的角度通過交點退行的調(diào)節(jié)獲得一致性－軌道自然的進動－每年完整的繞行一圈。因為地球自轉(zhuǎn)，它稍微有一點扁（相較于一個理想的球體，赤道稍微長一點），同時接近赤道的多余質(zhì)量造成太空船傾角軌道的進動：軌道在太空中相對于遙遠的恒星不是固定的，但是慢慢的繞著地軸旋轉(zhuǎn)，進動的速度取決于軌道的高度和衛(wèi)星的傾角。通過這兩種效應(yīng)的平衡，是可能與進動的速率匹配。典型的太陽同步軌道高度大約在600至800公里，周期在96至100分鐘，傾角大約在98度（也就是輕微的逆轉(zhuǎn)，與地球自轉(zhuǎn)的方向比較，0度代表是赤道的軌道，90度是極軌道。）。
子/午軌道是一個特殊的太陽同步軌道，大約在地方平時的中午或子夜時分在經(jīng)線上穿越赤道；晨/昏軌道則是在日出或日落時分穿越赤道經(jīng)線的軌道，所以衛(wèi)星都在分割白天和夜晚的日夜境界線上飛越。在日夜境界線上飛越對于主動雷達衛(wèi)星是非常有用的，因為衛(wèi)星的太陽能電池板能始終被陽光照到，不會進入地球的影子內(nèi)。對于一些測量的結(jié)果會受到陽光影響或限制的被動式儀器，它也很有用處，可以讓儀器始終朝向地球夜晚的方向。晨/昏軌道曾經(jīng)使用在陽光衛(wèi)星、TRACE和日出衛(wèi)星等觀測太陽的科學(xué)衛(wèi)星，使它們幾乎能持續(xù)不停的連續(xù)觀測太陽。
對其它的行星，例如火星，也可以有太陽同步軌道。

5.1 衛(wèi)星舉例

下面結(jié)合當(dāng)前研究內(nèi)容，以O(shè)DIN衛(wèi)星為例理解一下：

衛(wèi)星軌道面與太陽取向一致，則衛(wèi)星不像地球同步衛(wèi)星一樣隨地球自轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，即衛(wèi)星只有沿軌道方向速度，沒有沿地球自轉(zhuǎn)方向即自西向東方向旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，所以衛(wèi)星要保持軌道面與太陽取向一致，必須有一個與地球公轉(zhuǎn)一致的角速度，即360度/（365天）=0.9863度/天。

衛(wèi)星總是在相同的地方時經(jīng)過同一位置。比如，每天上午10：00經(jīng)過長春上空，每天下午4：00經(jīng)過武漢。ODIN衛(wèi)星周期為96分鐘，而一天是$24?60$分鐘，所以衛(wèi)星一天繞地球轉(zhuǎn)$24?60/96=15$圈。如此，看來，衛(wèi)星每天重復(fù)一次軌道運行，即只經(jīng)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(wèi)星軌道沒變化，地球自己轉(zhuǎn)動了，衛(wèi)星一圈需時96分，地球自轉(zhuǎn)$96/（24?60/360）=24$度，地球有$360/24=15$個24度，于是，衛(wèi)星在一天繞地球轉(zhuǎn)15圈。而且，在一個短時期內(nèi)，一地區(qū)太陽照射情況不會有太大變化，所以可以對一個地區(qū)相同的太陽照射情況進行多次觀測。

ODIN衛(wèi)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?xí)r，更是這樣，而且白天時離太陽更近；冬至?xí)r，與夏至相反，衛(wèi)星經(jīng)過北半球是黑夜，經(jīng)過南半球是白天。因為衛(wèi)星軌道面與太陽取向一致，所以不會出現(xiàn)，同一天或同一段短時期，不會出現(xiàn)一會兒衛(wèi)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(xiàn)象，必須換季才能出現(xiàn)這樣的情況。當(dāng)然，當(dāng)太陽直射南半球的時候，會出現(xiàn)衛(wèi)星在黑夜和白天分界線的位置上運行，這樣衛(wèi)星一直探測的是黎明或黃昏的太陽輻射了。
ODIN衛(wèi)星升交點為18：00， 如圖2，衛(wèi)星0度時在當(dāng)?shù)貢r太陽落山時候，90度時當(dāng)?shù)貫檎?#xff0c;180度時為當(dāng)?shù)厝粘鰰r候，270度為午夜，360又為當(dāng)?shù)靥栂律綍r。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%B0%E7%90%83%E8%87%AA%E8%BD%AC
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%B0%E7%90%83%E5%85%AC%E8%BD%AC
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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的卫星运动轨道的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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