人造地球衛(wèi)星為何能按預(yù)定軌道運(yùn)行

由于人造地球衛(wèi)星是一種無(wú)人航天器，所以無(wú)法像載人飛船那樣由航天員操縱來(lái)控制其飛行軌道，它主要靠跟蹤遙控或自動(dòng)控制的方式來(lái)使衛(wèi)星按預(yù)定的軌道運(yùn)行。

1 無(wú)人駕駛的秘密

要想使人造地球衛(wèi)星在預(yù)定的軌道運(yùn)行，首先要用運(yùn)載火箭把人造地球衛(wèi)星盡可能精確地送入預(yù)定的軌道，使它有較高的速度，然后靠慣性飛行。其關(guān)鍵是要掌握好衛(wèi)星和火箭分離并開(kāi)始進(jìn)入軌道那一瞬時(shí)的速度和方向。

衛(wèi)星速度的大小主要決定于運(yùn)載火箭的推力和級(jí)數(shù)，推力越大，級(jí)數(shù)越多，速度也就越快。另外，根據(jù)衛(wèi)星的用途和功能等不同，每種衛(wèi)星的運(yùn)行軌道高度也有很大差別，有的衛(wèi)星需要運(yùn)行在低軌道，有的則需要運(yùn)行在中軌道或高軌道。這就要求火箭把衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星在250km高的軌道上運(yùn)行，若要求高度誤差不超過(guò)10km，那么衛(wèi)星進(jìn)入軌道時(shí)的速度誤差需小于0.02%，角度誤差需小于2.3°(1個(gè)圓周為360°)。

衛(wèi)星進(jìn)入軌道的方向?qū)嶋H上就是火箭與衛(wèi)星分離時(shí)的飛行方向，該方向可以由地面通過(guò)無(wú)線電信號(hào)來(lái)控制的。火箭與衛(wèi)星分離后，由于慣性和地心引力的作用，衛(wèi)星會(huì)按一定的軌道繼續(xù)運(yùn)行，這時(shí)通過(guò)衛(wèi)星跟蹤測(cè)軌系統(tǒng)，地面就可以知道衛(wèi)星是否沿預(yù)定的軌道飛行。

對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測(cè)量主要有兩種方法：一種是用光學(xué)的方式進(jìn)行測(cè)量，即利用望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)經(jīng)緯儀、電影經(jīng)緯儀、高速攝影機(jī)和激光測(cè)距儀等光學(xué)儀器，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測(cè)量。這種手段不需要衛(wèi)星太多的配合，只是觀測(cè)、記錄它的運(yùn)動(dòng)情況。由于光學(xué)方法會(huì)受到衛(wèi)星的大小和表面反射特性、觀測(cè)時(shí)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(wú)線電信號(hào)進(jìn)行跟蹤導(dǎo)航。它是指地面利用衛(wèi)星發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)跟蹤衛(wèi)星，并利用接收到的無(wú)線電信號(hào)延遲時(shí)間和多普勒頻率變化來(lái)確定衛(wèi)星距離地面的距離和速度，從而確定衛(wèi)星飛行的位置和速度，計(jì)算出與衛(wèi)星飛行軌道的偏差，引導(dǎo)衛(wèi)星沿著正確的軌道飛行。由于無(wú)線電波不受天氣影響，傳播速度為3105km/s，因此，可以實(shí)現(xiàn)全天候跟蹤測(cè)量，進(jìn)行遠(yuǎn)距離定位。

無(wú)線電測(cè)軌系統(tǒng)由星上和地面兩部分組成，星上部分有發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線等；地面部分有測(cè)控站，在測(cè)控站內(nèi)有各種不同用途的雷達(dá)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、數(shù)據(jù)終端、計(jì)算機(jī)以及記錄顯示設(shè)備等。這些設(shè)備總的說(shuō)來(lái)有兩大類(lèi)，一類(lèi)用于接收衛(wèi)星傳給地面的信息，另一類(lèi)用來(lái)向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)。常用的衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)軌系統(tǒng)有雷達(dá)測(cè)軌系統(tǒng)、多普勒測(cè)速系統(tǒng)和干涉儀系統(tǒng)。

雷達(dá)測(cè)軌系統(tǒng)的工作過(guò)程是：先用衛(wèi)星上的信標(biāo)機(jī)連續(xù)地或間斷地以一定的頻率向地面發(fā)射特定的無(wú)線電信號(hào)，使地面接收雷達(dá)能通過(guò)接收信標(biāo)機(jī)發(fā)出的信號(hào)捕獲衛(wèi)星目標(biāo)；此后地面站向衛(wèi)星上的雷達(dá)應(yīng)答機(jī)發(fā)射信號(hào)，雷達(dá)應(yīng)答機(jī)接收到信號(hào)后再向地面站回答一個(gè)信號(hào)。這樣一來(lái)一往、一應(yīng)一答，就能夠算出衛(wèi)星所處在的方位、高度和飛行的速度，進(jìn)而可以得到衛(wèi)星的實(shí)際軌道數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星的軌道是在衛(wèi)星發(fā)射前就設(shè)計(jì)好的理論軌道，但由于各種原因，衛(wèi)星上天后的實(shí)際軌道往往和理論軌道不太一樣。為此，在衛(wèi)星與火箭分離后剛剛進(jìn)入軌道時(shí)，要及時(shí)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測(cè)量，掌握衛(wèi)星的初始軌道參數(shù)，計(jì)算出衛(wèi)星整個(gè)的運(yùn)行軌道，知道它下一圈在什么地方，以及任何一個(gè)時(shí)刻衛(wèi)星會(huì)飛到什么地點(diǎn)上空，這樣就能盡早通過(guò)衛(wèi)星的控制系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)調(diào)整衛(wèi)星軌道，讓衛(wèi)星變軌進(jìn)入預(yù)定的軌道運(yùn)行。當(dāng)然，理論軌道與實(shí)際軌道誤差越小，衛(wèi)星的軌道調(diào)整就越小，這樣可以節(jié)省衛(wèi)星所消耗的燃料，延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命。

當(dāng)然，在衛(wèi)星長(zhǎng)期運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槭艿降厍蛞Α⒋髿庾枇Α⑻?yáng)和月球引力等的影響使軌道會(huì)產(chǎn)生微小變化，即“軌道攝動(dòng)”，所以要不斷地跟蹤測(cè)量衛(wèi)星軌道，必要時(shí)需對(duì)衛(wèi)星軌道進(jìn)行修正和保持。

2 衛(wèi)星的速度多大

人造地球衛(wèi)星之所以能夠繞地球運(yùn)行而不掉下來(lái)，是因?yàn)榘l(fā)射它的運(yùn)載火箭使它具有較高的飛行速度，從而可以產(chǎn)生能夠抵消地球引力的離心力按慣性飛行。換句話說(shuō)就是，如果作用在人造地球衛(wèi)星的離心力與地球引力大小相等、方向相反時(shí)，衛(wèi)星就可以繞地球作運(yùn)行。離心力與地球引力相等時(shí)的衛(wèi)星飛行速度稱為環(huán)繞速度。由于人造地球衛(wèi)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(huán)繞速度是不一樣的。例如，在離地面200km時(shí)，環(huán)繞速度為7.79km/s；在離地面300km時(shí)，環(huán)繞速度為7.781km/s；在離地面400km時(shí)，環(huán)繞速度為7.732km/s；在離地面500km時(shí)，環(huán)繞速度為7.619km/s；在離地面600km時(shí)，環(huán)繞速度為7.564km/s；在離地面800km時(shí)，環(huán)繞速度為7.457km/s；在離地面1000km時(shí)，環(huán)繞速度為7.356km/s；在離地面2000km時(shí)，環(huán)繞速度為6.903km/s；在離地面4000km時(shí)，環(huán)繞速度為6.203km/s；在離地面5000km時(shí)，環(huán)繞速度為5.922km/s；在離地面6000km時(shí)，環(huán)繞速度為5.679km/ s；在離地面35800km時(shí)，環(huán)繞速度為3.076km/s。

如果在某一高度低于其相應(yīng)的環(huán)繞速度，人造地球衛(wèi)星就會(huì)從天上掉下來(lái)。尤其是在低軌道飛行的衛(wèi)星，由于在那里還有少量殘存的大氣，這些大氣會(huì)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生一定阻力，逐漸降低衛(wèi)星的速度。速度降低意味著離心力減小，如果不適時(shí)利用衛(wèi)星上的發(fā)動(dòng)機(jī)提升衛(wèi)星的速度，衛(wèi)星的軌道高度就會(huì)不斷衰減，最終使衛(wèi)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(yùn)行的衛(wèi)星失效后，經(jīng)常會(huì)因此掉下來(lái)；而在高軌道運(yùn)行的衛(wèi)星因不會(huì)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(xù)飛行多年。