人造地球衛(wèi)星軌道的根數(shù)

尹懷勤

人造地球衛(wèi)星的用途非常廣泛，且不同用途的衛(wèi)星需要不同的軌道。因此人造地球星的軌道是非常復雜的，它們的名稱不僅多種多樣，而且富含科學意義，它們被按照形狀、與地面的距離、飛行方向等進行分類。以前，我們介紹過人造地球的軌道分類，但只知道軌道類別還是無法確定衛(wèi)星的位置，還需要一些更具體的信息才行。今天要介紹的軌道根數(shù)就能幫助科學家了解衛(wèi)星的具體位置。

軌道根數(shù)是什么呢？它可不是太空中有幾根軌道的意思，軌道根數(shù)又稱軌道要素或軌道參數(shù)，是用來描述人造地球衛(wèi)星在其軌道運行狀態(tài)的一組參數(shù)。通常情況下指的是用經(jīng)典萬有引力定律、開普勒三大定律描述天體按圓錐曲線運動時所必需的六個參數(shù)：軌道半長軸a、軌道偏心率e、軌道傾角i、升交點赤經(jīng)Ω、近地點幅角ω、真近點角v。

按形狀來說，衛(wèi)星都是在圓形或橢圓形軌道上運行的。圓形軌道具有任何時候都與地球表面保持相等距離的優(yōu)點，故而多用于觀察地球、通信廣播、導航定位和大地測量等衛(wèi)星。由于圓形軌道要求運載器入軌時的速度大小和方向都必須非常準確，所以實際上衛(wèi)星常常是在近圓形或橢圓形軌道上飛行的。

當人造地球衛(wèi)星在橢圓形軌道上運行時，地球中心（簡稱地心）位于橢圓的一個焦點上。衛(wèi)星在運行過程中的特點是距離地球有時近、有時遠。軌道上距離地球最近的點叫近地點，最遠的點叫遠地點。它們分別位于長軸的兩端，也就是說近地點與遠地點之間的距離被稱為橢圓軌道的長軸，與其垂直的橢圓的另一個中心軸被稱為短軸。可以想見，長短軸長度相差越多，橢圓形就愈加扁長;長短軸數(shù)值越大，軌道距離地球表面就越遠。

衛(wèi)星在橢圓形軌道上運行時，各點的運行速度是變化的，在近地點處衛(wèi)星運行速度最快，在遠地點處運行速度最慢。依照航天界的統(tǒng)一定義，衛(wèi)星在軌道上運行一圈所需的時間叫作周期T。由此可見，不管衛(wèi)星運行的橢圓軌道形狀如何，只要它們的半長軸a相同，其運行的周期T就是一樣的。

由于人造地球衛(wèi)星是在地球引力場中運行的，所以無論其軌道是圓形還是橢圓形，其平面都要通過地球中心，其大小、形狀和在空間的方位可以是多種多樣的。顯而易見，橢圓形軌道的長軸和短軸決定了軌道平面的大小和形狀，而其在空間的方位卻還需要加上三個不同的角度來確定。這三個角度與天文學上的兩個名詞即升交點和春分點有關(guān)。升交點就是衛(wèi)星從地球的南半球向北半球飛行時經(jīng)過地球赤道平面的那個點。在太陽和地球的相對運動中，我們假設(shè)地球不動，那么，太陽從地球的南半球向北半球運動時，經(jīng)過地球赤道平面的那個點就叫春分點。弄清它們的含義，對理解人造地球衛(wèi)星的軌道根數(shù)具有重要意義。

從春分點到地心的連線和從升交點到地心的連線之間的夾角，稱為升交點赤經(jīng)，用Ω表示。

從升交點到地心的連線和從近地點到地心的連線之間的夾角，稱為近地點幅角，用ω表示。

偏心率e是一個描述橢圓扁平程度的概念，它是橢圓兩個焦點間的距離與長軸長度的比值。半長軸a和偏心率e決定了橢圓的大小與扁平程度。當橢圓軌道的偏心率e為O時，軌道就成了圓形。

衛(wèi)星軌道形成的平面叫軌道平面，地球赤道形成的平面叫赤道平面，這兩個平面之間的夾角，就稱為軌道傾角，用i表示。這是在關(guān)于衛(wèi)星發(fā)射的新聞報道和文章介紹中經(jīng)常見到的一個名詞。當軌道傾角i為O時，橢圓軌道就成了赤道軌道;當軌道傾角i大于O而小于90度時，衛(wèi)星運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，該軌道被稱為順行軌道;當軌道傾角i為90度時，該軌道被稱為極軌道，衛(wèi)星在兩極之間運行;當軌道傾角i大于90度而小于180度時，衛(wèi)星運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反，該軌道被稱為逆行軌道;當軌道傾角i為180度時，衛(wèi)星成了與地球自轉(zhuǎn)方向相反的赤道衛(wèi)星。但只知道軌道傾角i，而不了解升交點赤經(jīng)，仍然不能確定衛(wèi)星軌道平面在宇宙空間中的方位。因為具有相同傾角i的軌道平面在宇宙空間中可以有無限多個。只有軌道傾角i和升交點赤經(jīng)兩個參數(shù)都掌握了，才能確定軌道平面的方位。

以上五個軌道根數(shù)決定了衛(wèi)星在空間的實際軌道。最后一個根數(shù)將決定衛(wèi)星在軌道上何時處于何處的問題。真近點角v就是衛(wèi)星從近地點起沿軌道運動時其向徑掃過的角度。不過，比較常用的還是衛(wèi)星過近地點的時間tp。以年、月、日、時、分、秒表示，是運動時間的起量點。據(jù)此，就可以確定衛(wèi)星在宇宙空間中的位置與時間的關(guān)系，即什么時候在什么位置。

有了這六個軌道根數(shù)，科學家們想要了解衛(wèi)星的具體位置就易如反掌啦！大家了解之后，再看到人造地球衛(wèi)星上天的新聞，相信對這些專業(yè)術(shù)語就不再陌生了！