太阳同步晨昏线极地轨道的轨道倾角卫星倾角为什么是98°？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-11-21 06:00 标签： 极地轨道的轨道倾角
你搞错了基本概念。夸父一号所在的“太阳同步轨道”不是“太阳的同步轨道”，而是“对卫星绕转的天体来说，卫星轨道进动角速率与这天体绕太阳公转的平均角速率一样的轨道”，也叫太阳极轨。对地球来说，上述角速率约 0.9856 度每天。“风云一号”等气象卫星就采取这种轨道。太阳同步卫星通常利用其环绕的椭球状天体的引力场来转动轨道平面。调整轨道高度和倾角，让卫星轨道平面每天转动的角度与在那个天体上观测到的太阳运行特征相一致，每年（指那个天体绕太阳公转一周的时间，对地球来说是地球年，对火星来说是火星年）进动 360 度。太阳同步轨道的高度不是固定的，对地球来说常见高度在 600 到 800 千米，亦可更低或更高。我国“悟空”暗物质粒子探测卫星的太阳同步轨道高约 500 千米。火星的扁率约 0.00589，约为地球扁率的 1.76 倍，比地球更不圆，可以支持太阳同步轨道。当然，引力场的不均匀性、火星那稀薄但存在的高空大气、卫星的轨道控制策略是微妙的，实际运用的卫星往往有些许误差。NASA 于 2005 年 8 月 12 日发射的火星勘测轨道飞行器是一颗略有误差的太阳同步卫星，近火点位于火星南极上方 255 千米高度，远火点位于火星北极上方 320 千米高度，轨道倾角 93 度，每个火星日环绕火星 12 次。金星的扁率要比地球的 0.00335 小得多，围绕它的太阳同步卫星需要主动推进来转动轨道。你也可以对其他形状太圆的天体这样做。月球扁率 0.0012。这是从火星上观测到的日行迹。“太阳同步轨道”和“太阳的同步轨道”完全是两回事。“太阳的同步轨道”类似地球的同步卫星，不过是绕着太阳转，可以一直对着太阳表面某个区域。围着太阳转，这应该是人造行星。但是，这几乎不可能做到。太阳自转实在太快了，赤道是24天多。地球更快，24小时。但是，亲，太阳什么体量？看看，地球跟太阳比个头，地球就是个渣渣。想让人造行星公转速度跟上太阳自转速度，就要离太阳很近，具体多近老猿也不计算了。离太阳很近意味着高温，这很难。即便能做到，也没啥太大意义。而“太阳同步轨道”，是说的某个行星的卫星，通过精密设计轨道，使得卫星每次经过特定地点上空时，时间几乎一样。让特定地点太阳入射角始终保持基本一样，太阳同步就是这个意思。意思就是今天11点经过北京上空，明天还是11点，明年也还是11点。那其他时间怎么办？多发射几颗……这样同地点不同时间的拍照相互之间就比较有可比性，也更容易拼接。地球的“太阳同步轨道”大概是轨道倾角98度，高度600-800公里，周期96-100分钟。为什么这么设计？主要是地球还在公转，卫星轨道想跟地面保持特定的太阳角度，就需要不断跟着转，学名叫进动。靠燃料当然可以，只是玩不起。幸好，地球是椭球，也就是赤道处半径大，可以用来解决这个问题。我们小学二年级就学过万有引力公式：根据这个公式，距离近，引力会更大。地球是椭球，也就是赤道处半径更大，或者换句话说，卫星在这里距离地面更近，引力会更大。通过精巧设计卫星轨道，卫星每次经过赤道附近时，都被前面示意图中的黑色部分额外的引力拉扯，轨道平面就有了微小变化，也就是进动，从而能保持通过一个地点上空时时间基本不变。也就是经过某地点上空时，太阳入射角基本不变。吉林一号系列太阳同步轨道卫星基本就是同轨道排队走，所以可以无缝接力直播。主要用来看植物如何生长的，偶尔看下飞机起飞也是可以的。或者高空直播火箭发射……或者观察海上可移动机场的行踪……等等，夸父一号不是看地面的...........对的，夸父一号的轨道是太阳同步轨道，而且是晨昏平面轨道。太阳观测卫星选择的则是太阳同步轨道中一种特殊的轨道——晨昏平面轨道。这种轨道的平面位于地球的晨昏线附近，即地球表面处于黑夜和白天的两部分的分界线。和其他取向的太阳同步轨道相比，工作在晨昏平面上的卫星不会被地球的阴影长时间连续遮挡。在这条“黄昏追逐黎明”的轨道上，卫星能够获得对太阳几乎不间断的观测机会。[1]^轨道选的好，太阳探测没烦恼

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地球同步轨道就是跟地球运转周期一样，始终在地球某位置的上方，同理太阳同步轨道也是这样的原理，而地球和太阳的周期性不同，这两个概念当然也就不同了在地球同步轨道上运行的卫星，绕地球一周的时间与地球自转一周的时间相同。太阳的同理。
北京时间10月9日上午7点43分，“夸父一号”先进天基太阳天文台（ASO-S）成功发射，实现了我国太阳探测卫星跨越式突破。同时，我国空间科学卫星系列首发星“悟空号”暗物质粒子探测卫星（DAMPE）已在轨运行近7年。中国科学家们正在把一个个神话变成现实。01“悟空 ” “夸父”谁更快神话故事里寄托了古人对速度的追求和向往：夸父“与日逐走，入日”，算来可日行八万里；行者悟空则“会驾觔斗云，一纵十万八千里”，显然快过夸父很多。那么“夸父一号”和“悟空号”谁又跑得更快呢？他们能否结伴而行呢？先了解一下人造卫星的轨道分类：按轨道形状分为近圆轨道和椭圆轨道；按轨道倾角（i：轨道平面与赤道平面的夹角）分为赤道轨道（i≈0°）、极地轨道（i≈90°）和倾斜轨道；根据轨道运行方向，还有顺行轨道（0°<i<90°，西向东前进）和逆行轨道（90°<i<180°，东向西前进）。此外，人们根据实际需要，利用地球附近的特殊引力场环境，还设计了一系列特殊轨道，例如：地球同步轨道、太阳同步轨道、冻结轨道、闪电轨道等。“悟空号”和“夸父一号”都运行在近圆形的晨昏太阳同步轨道上。对于在近圆形轨道人造卫星，运行高度越低，必须跑得更快。“夸父一号”运行高度为720公里，绕地球一圈99.3分钟，速度7.49公里/秒；“悟空号”运行高度为500公里，绕地球一圈94.4分钟，速度7.63公里/秒，比夸父略快些，大约每绕地球20圈会套一圈，远不如神话故事里快得那么多。“悟空号”（红）与“夸父一号”（紫）卫星轨道仿真动画02太阳同步晨昏轨道：昼夜兼程所谓太阳同步轨道，并不是绕太阳飞行，而是指卫星轨道面沿赤道进动的角速度与地球公转的角速度保持一致，即每天自西向东转动0.9856度，始终与太阳保持相对固定的取向。在这种条件下，卫星可在每天同一时间飞过同一地点。绝大多数太阳同步轨道的倾角都是90多度，和地球赤道几乎垂直，卫星差不多是“竖着跑”的。“夸父一号”和“悟空号”的轨道倾角就分别为98.27度和97.39度。“悟空号”高度：500 km倾角：97.39°周期：94.4 min速度：7.63 km/s“夸父一号”高度：720 km倾角：98.27°周期：99.3 min速度：7.49 km/s晨昏轨道是一种特殊的太阳同步轨道，卫星过赤道时，地面时间分别是大约早晚6点，恰是当地日出和日落的时候。轨道面和地球晨昏线始终近似重合，卫星几乎可以永沐阳光。充足且持续的能源供给是很多卫星选择晨昏轨道的原因。如此优越的“凝视”太阳机会，作为太阳探测卫星的“夸父一号”自然更是不会放过的。晨昏轨道上的卫星几乎可以不分昼夜、全年无休地工作，是不折不扣的“工作狂”。比如“夸父一号”，全年仅在5月至8月间每天存在短暂的地球阴影区，其余时间均可以24小时不间断“紧盯”太阳观测。全年96%以上的时间处于工作状态。轨道高度越高的卫星，地球阴影区占比越少，“休息”时间越短。03如何保持同步？地球的一面被太阳光照亮，明暗交界处的圆称为晨昏线，随着地球绕太阳公转，晨昏线存在周年运动。那么，是什么力量让卫星轨道面和晨昏线的运动保持同步呢？晨昏线示意图 丨 图源：紫金山天文台〇
卫星的轨道进动根据牛顿万有引力定律，如果地球是一个完美球体，在不考虑其他引力影响的情况下，地球卫星将运行在固定的椭圆轨道上。但是，地球赤道附近存在大约21公里厚的隆起，从而叠加了相当于地球质量约千分之一量级的额外引力。作为低轨道卫星最主要的引力微扰，它会引起卫星公转轴（即轨道面的垂直方向）绕北极旋转，像陀螺一样，这就是卫星的轨道进动。地球引力场。左：均匀球体；右：扁球体【参考文献】对于近圆轨道，卫星轨道进动周期和卫星高度、以及轨道倾角之间存在一个简单的关系，轨道倾角越接近九十度，进动周期就越长。不同轨道高度卫星，轨道面进动（公转轴绕转）周期与轨道倾角之间的关系 丨 图源：作者利用地球扁率引起的轨道进动现象，可以通过设计轨道高度和倾角，使得公转轴绕转周期恰好为一年，从而与晨昏线的周年运动保持同步，这就是所谓的“太阳同步轨道”。我们还可以通过选择卫星的发射时间，让卫星轨道和晨昏线差不多重合，这样无需额外的能量，就能让轨道面的垂直方向始终指向太阳方向，这就是“晨昏太阳同步轨道”。“夸父一号”卫星轨道仿真动画运行在两个高度差220公里的晨昏太阳同步轨道上的“夸父一号”和“悟空号”，或凝视太阳，或寻觅暗物质，一明一暗，虽不能结伴同行，但不妨碍他们携手解锁宇宙之谜。注：仿真动画由轨道分析与演示软件aslplayer（1.2.0）制作。参考文献：A. Jaggi, Exploring the Earth’s Time-Variable Gravity Field using Satellite Observations, No. 49 May, 2022.转载内容仅代表作者观点不代表中科院物理所立场如需转载请联系原公众号来源：中国科学院紫金山天文台原标题：“夸父”与“悟空”能否结伴而行？编辑：Callo

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