人造地球衛星為何能按預定軌道運行

由于人造地球衛星是一種無人航天器，所以無法像載人飛船那樣由航天員操縱來控制其飛行軌道，它主要靠跟蹤遙控或自動控制的方式來使衛星按預定的軌道運行。

1 無人駕駛的秘密

要想使人造地球衛星在預定的軌道運行，首先要用運載火箭把人造地球衛星盡可能精確地送入預定的軌道，使它有較高的速度，然后靠慣性飛行。其關鍵是要掌握好衛星和火箭分離并開始進入軌道那一瞬時的速度和方向。

衛星速度的大小主要決定于運載火箭的推力和級數，推力越大，級數越多，速度也就越快。另外，根據衛星的用途和功能等不同，每種衛星的運行軌道高度也有很大差別，有的衛星需要運行在低軌道，有的則需要運行在中軌道或高軌道。這就要求火箭把衛星發射到所要求的軌道高度，其入軌精度也隨軌道高度不同而不同。例如，要使衛星在250km高的軌道上運行，若要求高度誤差不超過10km，那么衛星進入軌道時的速度誤差需小于0.02%，角度誤差需小于2.3°(1個圓周為360°)。

衛星進入軌道的方向實際上就是火箭與衛星分離時的飛行方向，該方向可以由地面通過無線電信號來控制的?；鸺c衛星分離后，由于慣性和地心引力的作用，衛星會按一定的軌道繼續運行，這時通過衛星跟蹤測軌系統，地面就可以知道衛星是否沿預定的軌道飛行。

對衛星進行跟蹤測量主要有兩種方法：一種是用光學的方式進行測量，即利用望遠鏡、光學經緯儀、電影經緯儀、高速攝影機和激光測距儀等光學儀器，對衛星進行跟蹤測量。這種手段不需要衛星太多的配合，只是觀測、記錄它的運動情況。由于光學方法會受到衛星的大小和表面反射特性、觀測時間天氣的好壞等因素的影響和限制，因此其跟蹤的范圍有限。

另一種是用無線電信號進行跟蹤導航。它是指地面利用衛星發出的無線電信號跟蹤衛星，并利用接收到的無線電信號延遲時間和多普勒頻率變化來確定衛星距離地面的距離和速度，從而確定衛星飛行的位置和速度，計算出與衛星飛行軌道的偏差，引導衛星沿著正確的軌道飛行。由于無線電波不受天氣影響，傳播速度為3105km/s，因此，可以實現全天候跟蹤測量，進行遠距離定位。

無線電測軌系統由星上和地面兩部分組成，星上部分有發射機、接收機和天線等；地面部分有測控站，在測控站內有各種不同用途的雷達、發射機、接收機、天線、數據終端、計算機以及記錄顯示設備等。這些設備總的說來有兩大類，一類用于接收衛星傳給地面的信息，另一類用來向衛星發射信號。常用的衛星無線電測軌系統有雷達測軌系統、多普勒測速系統和干涉儀系統。

雷達測軌系統的工作過程是：先用衛星上的信標機連續地或間斷地以一定的頻率向地面發射特定的無線電信號，使地面接收雷達能通過接收信標機發出的信號捕獲衛星目標；此后地面站向衛星上的雷達應答機發射信號，雷達應答機接收到信號后再向地面站回答一個信號。這樣一來一往、一應一答，就能夠算出衛星所處在的方位、高度和飛行的速度，進而可以得到衛星的實際軌道數據。

衛星的軌道是在衛星發射前就設計好的理論軌道，但由于各種原因，衛星上天后的實際軌道往往和理論軌道不太一樣。為此，在衛星與火箭分離后剛剛進入軌道時，要及時對衛星進行跟蹤測量，掌握衛星的初始軌道參數，計算出衛星整個的運行軌道，知道它下一圈在什么地方，以及任何一個時刻衛星會飛到什么地點上空，這樣就能盡早通過衛星的控制系統與推進系統調整衛星軌道，讓衛星變軌進入預定的軌道運行。當然，理論軌道與實際軌道誤差越小，衛星的軌道調整就越小，這樣可以節省衛星所消耗的燃料，延長衛星壽命。

當然，在衛星長期運行的過程中，會因為受到地球引力、大氣阻力、太陽和月球引力等的影響使軌道會產生微小變化，即“軌道攝動”，所以要不斷地跟蹤測量衛星軌道，必要時需對衛星軌道進行修正和保持。

2 衛星的速度多大

人造地球衛星之所以能夠繞地球運行而不掉下來，是因為發射它的運載火箭使它具有較高的飛行速度，從而可以產生能夠抵消地球引力的離心力按慣性飛行。換句話說就是，如果作用在人造地球衛星的離心力與地球引力大小相等、方向相反時，衛星就可以繞地球作運行。離心力與地球引力相等時的衛星飛行速度稱為環繞速度。由于人造地球衛星在不同軌道高度所受到的地球引力不一樣，因此它所需的環繞速度是不一樣的。例如，在離地面200km時，環繞速度為7.79km/s；在離地面300km時，環繞速度為7.781km/s；在離地面400km時，環繞速度為7.732km/s；在離地面500km時，環繞速度為7.619km/s；在離地面600km時，環繞速度為7.564km/s；在離地面800km時，環繞速度為7.457km/s；在離地面1000km時，環繞速度為7.356km/s；在離地面2000km時，環繞速度為6.903km/s；在離地面4000km時，環繞速度為6.203km/s；在離地面5000km時，環繞速度為5.922km/s；在離地面6000km時，環繞速度為5.679km/ s；在離地面35800km時，環繞速度為3.076km/s。

如果在某一高度低于其相應的環繞速度，人造地球衛星就會從天上掉下來。尤其是在低軌道飛行的衛星，由于在那里還有少量殘存的大氣，這些大氣會對衛星產生一定阻力，逐漸降低衛星的速度。速度降低意味著離心力減小，如果不適時利用衛星上的發動機提升衛星的速度，衛星的軌道高度就會不斷衰減，最終使衛星在地球引力作用下沿螺旋線軌跡落向地球大氣層燒毀。在低軌道運行的衛星失效后，經常會因此掉下來；而在高軌道運行的衛星因不會受到殘存的大氣影響，所以即使失效也可以靠慣性在軌道上繼續飛行多年。