人造地球卫星轨道的根数

尹怀勤

人造地球卫星的用途非常广泛，且不同用途的卫星需要不同的轨道。因此人造地球星的轨道是非常复杂的，它们的名称不仅多种多样，而且富含科学意义，它们被按照形状、与地面的距离、飞行方向等进行分类。以前，我们介绍过人造地球的轨道分类，但只知道轨道类别还是无法确定卫星的位置，还需要一些更具体的信息才行。今天要介绍的轨道根数就能帮助科学家了解卫星的具体位置。

轨道根数是什么呢？它可不是太空中有几根轨道的意思，轨道根数又称轨道要素或轨道参数，是用来描述人造地球卫星在其轨道运行状态的一组参数。通常情况下指的是用经典万有引力定律、开普勒三大定律描述天体按圆锥曲线运动时所必需的六个参数：轨道半长轴a、轨道偏心率e、轨道倾角i、升交点赤经Ω、近地点幅角ω、真近点角v。

按形状来说，卫星都是在圆形或椭圆形轨道上运行的。圆形轨道具有任何时候都与地球表面保持相等距离的优点，故而多用于观察地球、通信广播、导航定位和大地测量等卫星。由于圆形轨道要求运载器入轨时的速度大小和方向都必须非常准确，所以实际上卫星常常是在近圆形或椭圆形轨道上飞行的。

当人造地球卫星在椭圆形轨道上运行时，地球中心（简称地心）位于椭圆的一个焦点上。卫星在运行过程中的特点是距离地球有时近、有时远。轨道上距离地球最近的点叫近地点，最远的点叫远地点。它们分别位于长轴的两端，也就是说近地点与远地点之间的距离被称为椭圆轨道的长轴，与其垂直的椭圆的另一个中心轴被称为短轴。可以想见，长短轴长度相差越多，椭圆形就愈加扁长;长短轴数值越大，轨道距离地球表面就越远。

卫星在椭圆形轨道上运行时，各点的运行速度是变化的，在近地点处卫星运行速度最快，在远地点处运行速度最慢。依照航天界的统一定义，卫星在轨道上运行一圈所需的时间叫作周期T。由此可见，不管卫星运行的椭圆轨道形状如何，只要它们的半长轴a相同，其运行的周期T就是一样的。

由于人造地球卫星是在地球引力场中运行的，所以无论其轨道是圆形还是椭圆形，其平面都要通过地球中心，其大小、形状和在空间的方位可以是多种多样的。显而易见，椭圆形轨道的长轴和短轴决定了轨道平面的大小和形状，而其在空间的方位却还需要加上三个不同的角度来确定。这三个角度与天文学上的两个名词即升交点和春分点有关。升交点就是卫星从地球的南半球向北半球飞行时经过地球赤道平面的那个点。在太阳和地球的相对运动中，我们假设地球不动，那么，太阳从地球的南半球向北半球运动时，经过地球赤道平面的那个点就叫春分点。弄清它们的含义，对理解人造地球卫星的轨道根数具有重要意义。

从春分点到地心的连线和从升交点到地心的连线之间的夹角，称为升交点赤经，用Ω表示。

从升交点到地心的连线和从近地点到地心的连线之间的夹角，称为近地点幅角，用ω表示。

偏心率e是一个描述椭圆扁平程度的概念，它是椭圆两个焦点间的距离与长轴长度的比值。半长轴a和偏心率e决定了椭圆的大小与扁平程度。当椭圆轨道的偏心率e为O时，轨道就成了圆形。

卫星轨道形成的平面叫轨道平面，地球赤道形成的平面叫赤道平面，这两个平面之间的夹角，就称为轨道倾角，用i表示。这是在关于卫星发射的新闻报道和文章介绍中经常见到的一个名词。当轨道倾角i为O时，椭圆轨道就成了赤道轨道;当轨道倾角i大于O而小于90度时，卫星运行方向与地球自轉方向相同，该轨道被称为顺行轨道;当轨道倾角i为90度时，该轨道被称为极轨道，卫星在两极之间运行;当轨道倾角i大于90度而小于180度时，卫星运行方向与地球自转方向相反，该轨道被称为逆行轨道;当轨道倾角i为180度时，卫星成了与地球自转方向相反的赤道卫星。但只知道轨道倾角i，而不了解升交点赤经，仍然不能确定卫星轨道平面在宇宙空间中的方位。因为具有相同倾角i的轨道平面在宇宙空间中可以有无限多个。只有轨道倾角i和升交点赤经两个参数都掌握了，才能确定轨道平面的方位。

以上五个轨道根数决定了卫星在空间的实际轨道。最后一个根数将决定卫星在轨道上何时处于何处的问题。真近点角v就是卫星从近地点起沿轨道运动时其向径扫过的角度。不过，比较常用的还是卫星过近地点的时间tp。以年、月、日、时、分、秒表示，是运动时间的起量点。据此，就可以确定卫星在宇宙空间中的位置与时间的关系，即什么时候在什么位置。

有了这六个轨道根数，科学家们想要了解卫星的具体位置就易如反掌啦！大家了解之后，再看到人造地球卫星上天的新闻，相信对这些专业术语就不再陌生了！