淺談衛(wèi)星軌道問(wèn)題的教學(xué)

汪為青 鐘 華 徐曉華

（1.景德鎮(zhèn)一中, 江西 景德鎮(zhèn) 333000; 2.浙江省春暉中學(xué), 浙江 紹興 312000; 3.無(wú)錫市羊尖中學(xué), 江蘇 無(wú)錫 214000）

各地的高考試題一直是教師鉆研的對(duì)象。不少教師與教學(xué)團(tuán)隊(duì)力圖在以往的高考試題中找到高考試題的命題規(guī)律與方向，以引領(lǐng)接下來(lái)的高三復(fù)習(xí)工作。在2022年的眾多地理高考試題中，有一道衛(wèi)星軌道相關(guān)的考題，使得不少學(xué)生與教師感到困惑，試題如下。

（2022年高考湖北卷地理試題）風(fēng)云三號(hào)E星是全球第一顆在晨昏軌道運(yùn)行的太陽(yáng)同步氣象衛(wèi)星，與在軌的風(fēng)云三號(hào)C星、D星形成“晨昏、上午、下午”三星組網(wǎng)格局，可實(shí)現(xiàn)全球觀測(cè)資料的100%覆蓋。E星裝載最先進(jìn)的微光成像儀，可大幅提高弱光條件下的監(jiān)測(cè)精度。下圖示意晨昏軌道、上午軌道和下午軌道（見(jiàn)圖1）。據(jù)此完成以下小題。

圖1 風(fēng)云三號(hào)晨昏軌道、上午軌道和下午軌道示意圖

E星的運(yùn)行軌道相對(duì)于地軸

A.年變化幅度為23°26′ B.日變化幅度為180°

C.年變化幅度為46°52′ D.日變化幅度為360°

本題的正確答案為A選項(xiàng)。本題考查地球運(yùn)動(dòng)。E星的運(yùn)行軌道是晨昏軌道，即晨昏圈。因此，E星的運(yùn)行軌道相對(duì)于地軸的變化即晨昏圈相對(duì)于地軸的變化。而晨昏圈相對(duì)地軸的夾角最小在二分日，為0°，最大為二至，為23°26′，年變化幅度為23°26′，A項(xiàng)正確。

學(xué)生對(duì)于此題的困惑主要源于其對(duì)衛(wèi)星軌道的空間變化沒(méi)有立體的認(rèn)識(shí)；同時(shí)，題干對(duì)給定陌生的名詞“太陽(yáng)同步氣象衛(wèi)星”沒(méi)有進(jìn)行明確解釋，加大了學(xué)生解題難度。風(fēng)云三號(hào)E星的運(yùn)行軌道相對(duì)于地軸的日變化幅度與年變化幅度究竟如何？在高三的復(fù)習(xí)備考中，教師需要掌握一定的衛(wèi)星軌道背景知識(shí)，拓寬知識(shí)儲(chǔ)備，提升專業(yè)素養(yǎng)，以便今后更加科學(xué)地分析與教學(xué)此類問(wèn)題。

一、多樣的衛(wèi)星軌道

根據(jù)衛(wèi)星軌道傾角，即衛(wèi)星軌道平面的法向與地軸北極指向所形成的夾角的不同，可以將衛(wèi)星分為三大類（見(jiàn)圖2）。

圖2 衛(wèi)星軌道介紹

1.赤道軌道

當(dāng)衛(wèi)星軌道傾角為0°時(shí)，衛(wèi)星始終在赤道上空飛行，這種軌道稱為赤道軌道。當(dāng)?shù)厍蛲杰壍栏叨任挥诰嗟仄矫?5786km的上空時(shí)，它繞地球運(yùn)行的角速度與地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，這種衛(wèi)星軌道叫地球靜止衛(wèi)星軌道（GEO）。從地面上看，衛(wèi)星似乎是懸在天空某個(gè)定點(diǎn)固定不動(dòng)，故稱靜止衛(wèi)星。這種衛(wèi)星的優(yōu)越性在于僅需使用3個(gè)衛(wèi)星組網(wǎng)，便能覆蓋全球，實(shí)現(xiàn)對(duì)地的不間斷通信與觀測(cè)，如我國(guó)風(fēng)云四號(hào)A、B星。

2.極地軌道

衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面呈90°角，衛(wèi)星從南、北兩極點(diǎn)上空附近穿過(guò)。在這種軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星可以飛經(jīng)地球任何地區(qū)。此類衛(wèi)星發(fā)射量非常少，部分銥星和極地氣象衛(wèi)星采用此軌道。

3.傾斜軌道

（1）順行軌道。衛(wèi)星傾角在0～90°之間，衛(wèi)星的運(yùn)行方向和地球自轉(zhuǎn)的方向一致。在我國(guó)，要把這類衛(wèi)星送入軌道，運(yùn)載火箭需要朝東南方向發(fā)射，這樣才能利用地球自轉(zhuǎn)的速度節(jié)約火箭的能量。世界上大部分衛(wèi)星都是采用這種軌道，如我國(guó)的天宮系列空間站。

地球同步軌道指衛(wèi)星在順行軌道上繞地球運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行周期與地球的自轉(zhuǎn)周期（恒時(shí)日）相同，也被稱為同步傾斜軌道（IGSO），其軌道距地平面為35786km。

（2）逆行軌道。衛(wèi)星傾角在90～180°之間，衛(wèi)星的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)的方向相反。在我國(guó)，要把這類衛(wèi)星送入軌道，運(yùn)載火箭要朝西南方向發(fā)射。由于無(wú)法利用地球自轉(zhuǎn)提供的加速度，運(yùn)載火箭需要付出額外動(dòng)能抵消地球自轉(zhuǎn)，這對(duì)火箭的自身推力要求很高。

太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，是逆行軌道衛(wèi)星的一個(gè)特例，因軌道面與日地連線的夾角（取向）一致，所以叫太陽(yáng)同步衛(wèi)星。該類衛(wèi)星每天向東移動(dòng)0.9856度，如試題中的風(fēng)云三號(hào)E星。

太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星的傾角與衛(wèi)星高度的關(guān)系成正比（見(jiàn)圖3），軌道傾角越大其運(yùn)動(dòng)高度距地表越高。

圖3 太陽(yáng)同步軌道傾角與高度對(duì)應(yīng)表[1]

二、太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道的變化

對(duì)于正常工作的人造地球衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，就如同八大行星繞日公轉(zhuǎn)一樣，其運(yùn)行軌道平面與地球赤道平面的夾角是固定的，風(fēng)云三號(hào)E衛(wèi)星也不例外。其軌道傾角是98.75°，軌道高度為836千米，軌道偏心率≤0.0025。[2]

風(fēng)云三號(hào)E衛(wèi)星的軌道接近極地的太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，是我國(guó)首顆晨昏軌道衛(wèi)星。所謂晨昏軌道是指衛(wèi)星的升、降交點(diǎn)（升交點(diǎn)指衛(wèi)星由南向北穿過(guò)赤道平面，降交點(diǎn)反之）位于晨昏線附近，如E衛(wèi)星的降交點(diǎn)地方時(shí)為5:30，[3]衛(wèi)星軌道面并不會(huì)隨晨昏線平面與地軸夾角的改變而變動(dòng)。

假設(shè)某太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道傾角為98.5°，其軌道面隨晨昏圈的變化而變動(dòng)（見(jiàn)圖4）。那么，當(dāng)北半球冬至日時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行軌道沿晨昏圈運(yùn)行，其軌道傾角將由98°增大到113.5°附近，根據(jù)圖3中的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，此時(shí)軌道高度也將由約836千米升高至約3000千米處（見(jiàn)圖4-a）。倘若夏至日衛(wèi)星同樣沿晨昏圈運(yùn)行，則軌道傾角要減少到66.5°（見(jiàn)圖4-b），衛(wèi)星完成了由逆行軌道到順行軌道的轉(zhuǎn)變。以上軌道的變化需要衛(wèi)星在太空中反復(fù)變軌和改變高度，顯然上述假設(shè)條件下軌道的反復(fù)變化在現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)水平下是不可能實(shí)現(xiàn)的。

圖4 假設(shè)太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星軌道隨晨昏圈年變動(dòng)示意

風(fēng)云三號(hào)E衛(wèi)星軌道變化是指太陽(yáng)同步衛(wèi)星為保證其取向不變，即軌道平面每天平均向地球公轉(zhuǎn)方向（自西向東）轉(zhuǎn)動(dòng)0.9856°（即360°／年）（見(jiàn)圖5）。若衛(wèi)星軌道平面平動(dòng)時(shí)空間位置保持不變（見(jiàn)圖5-a），那么當(dāng)其在位置①時(shí)是晨昏軌道，到位置③時(shí)則是下午軌道。晨昏軌道衛(wèi)星為了保證對(duì)地觀測(cè)的時(shí)間穩(wěn)定在晨昏時(shí)分，需要利用地球赤道處的“額外引力”，完成軌道的同步轉(zhuǎn)動(dòng)（見(jiàn)圖5-b），在位置①時(shí)取向是75°，到達(dá)位置③時(shí)取向不變。

圖5 軌道平動(dòng)與軌道進(jìn)動(dòng)

圖5-b為全年太陽(yáng)同步軌道進(jìn)動(dòng)的示意，從圖上可清楚地觀察出，若以地軸為參考，衛(wèi)星軌道一年內(nèi)圍繞地軸旋轉(zhuǎn)360°，平均每天轉(zhuǎn)動(dòng)約0.98°，雖然會(huì)繞地軸旋轉(zhuǎn)，但與地軸的夾角保持固定，如圖4中衛(wèi)星的實(shí)際軌道與地軸夾角那樣，風(fēng)云三號(hào)E衛(wèi)星軌道面與地軸的線面夾角為8.75°。

總的來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)同步軌道有幾個(gè)重要參數(shù)不變，一是軌道傾角不變，二是軌道取向不變，三是升、降交點(diǎn)時(shí)間不變。但也有一個(gè)重要的變動(dòng)，就是為了保證軌道取向不變，軌道平面每天以固定的角度向東進(jìn)動(dòng)。

三、備考關(guān)注

衛(wèi)星軌道問(wèn)題是地球運(yùn)動(dòng)的全新題型，在高考復(fù)習(xí)時(shí)一線教師還需要關(guān)注以下與中學(xué)地理知識(shí)緊密相關(guān)的軌道內(nèi)容，如考查衛(wèi)星“星下點(diǎn)軌跡”問(wèn)題、北斗衛(wèi)星星座問(wèn)題和衛(wèi)星軌道特點(diǎn)等。

1.星下點(diǎn)軌跡

星下點(diǎn)是衛(wèi)星和地心的連線在地球表面相交的點(diǎn)，即衛(wèi)星在地表的垂直投影點(diǎn)。由于地球自轉(zhuǎn)和衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)的聯(lián)合影響作用，星下點(diǎn)會(huì)在地球表面運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星繞地運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)周期內(nèi)星下點(diǎn)在地表運(yùn)動(dòng)所形成的軌線被稱為“星下點(diǎn)軌跡”。

(1)“8”字形軌跡

“8”字形星下點(diǎn)軌跡有兩種形態(tài)，一是赤道對(duì)稱的圖形，另一種是不對(duì)稱的“8”字形。地球同步傾斜軌道衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡是對(duì)稱的“8”字型曲線（見(jiàn)圖6），如我國(guó)北斗導(dǎo)航星座系統(tǒng)里的部分星座是軌道傾角為55°的此類衛(wèi)星。同步傾斜軌道的傾角決定了衛(wèi)星在南北半球上空到達(dá)的最高緯度值，如上述北斗衛(wèi)星，最北能到達(dá)北緯55°上空。

圖6 “8”字形星下點(diǎn)軌跡[4]

不對(duì)稱的“8”字形是由于這類衛(wèi)星采用了大橢圓軌道，如日本準(zhǔn)天頂系統(tǒng)（QZSS）衛(wèi)星，因軌道在赤道以北的部分大于赤道以南，同時(shí)又因近遠(yuǎn)地點(diǎn)的衛(wèi)星速度差異，造成了星下點(diǎn)軌跡不對(duì)稱。圖5-b的軌道可使衛(wèi)星在日本上空運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，在發(fā)射QZSS衛(wèi)星數(shù)量有限的前提下，提高了導(dǎo)航與定位的服務(wù)時(shí)長(zhǎng)。

(2)正（余）弦函數(shù)圖形軌跡

順行傾斜圓軌道是衛(wèi)星普遍采用的一種軌道，星下點(diǎn)軌跡形似于正（余）弦函數(shù)圖象。由于地球自西向東自轉(zhuǎn)，故衛(wèi)星每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，衛(wèi)星軌道的點(diǎn)下點(diǎn)軌跡會(huì)規(guī)律性西移（見(jiàn)圖7）。

圖7 正（余）弦函數(shù)圖形軌跡

(3)直線與點(diǎn)軌跡

當(dāng)衛(wèi)星軌道傾角為0°時(shí)，衛(wèi)星始終在赤道上空飛行，衛(wèi)星的星下點(diǎn)軌跡為沿赤道運(yùn)動(dòng)的直線。但當(dāng)衛(wèi)星軌道在同步高度上時(shí)，即地球同步靜止軌道，星下點(diǎn)的位置不發(fā)生移動(dòng)，因此固定為一點(diǎn)。

2.北斗全球定位系統(tǒng)（BDS）星座

北斗星座先行發(fā)射同步靜止軌道衛(wèi)星（GEO），然后發(fā)射同步傾斜軌道衛(wèi)星（IGSO），最后發(fā)射的是中高度圓軌道（MEO）衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星具有對(duì)組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量要求少的優(yōu)點(diǎn)，能夠節(jié)省前期組網(wǎng)成本，但受對(duì)地觀測(cè)角度影響，對(duì)高緯度地區(qū)的觀測(cè)精度不高。后期發(fā)射的IGSO衛(wèi)星能彌補(bǔ)GEO衛(wèi)星的上述不足，提高了定位導(dǎo)航精度。

北斗系統(tǒng)融合了多項(xiàng)功能，其中短報(bào)文是北斗的一大特色，它讓北斗用戶能向外界告知自己的具體位置，當(dāng)用戶遇到危險(xiǎn)情況時(shí)，可以及時(shí)通知救援。

3.軌道要素

(1)衛(wèi)星軌道高度

一般情況下衛(wèi)星軌道高度與衛(wèi)星成像精度與定位精度成負(fù)相關(guān)，所以負(fù)責(zé)全球通訊的靜止衛(wèi)星的高度距地表最高，而氣象觀測(cè)衛(wèi)星為了獲取更高的數(shù)據(jù)精度往往取用中低高度軌道。

(2)衛(wèi)星軌道形狀

多數(shù)衛(wèi)星采用以地心為圓心的正圓軌道，但一些中高緯度國(guó)家為了通訊要求會(huì)使用偏心率大的橢圓軌道。這樣衛(wèi)星在繞地運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在這些國(guó)家上空多停留一段時(shí)間，增加使用時(shí)長(zhǎng)，如前文中的QZSS衛(wèi)星。

(3)衛(wèi)星軌道變動(dòng)

太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道平面會(huì)隨地球公轉(zhuǎn)每日向東轉(zhuǎn)動(dòng)約0.98°，其他衛(wèi)星軌道平面隨地球公轉(zhuǎn)平動(dòng)。

四、教學(xué)與思考

衛(wèi)星軌道問(wèn)題需要學(xué)生具備較強(qiáng)的空間思維能力，如何有效培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力，是當(dāng)前中學(xué)地理教學(xué)中亟待解決的難題。

針對(duì)地球運(yùn)動(dòng)的空間思維能力，一方面要培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，學(xué)生在制作各類天體運(yùn)動(dòng)模型的同時(shí)，思考地理事物的空間關(guān)系，解決實(shí)際操作面臨的空間關(guān)系難題，有利于從平面空間到立體空間的思維建立，如引導(dǎo)學(xué)生制作演示月相成因的互動(dòng)模型；[5]另一方面，可以借助交互式軟件模擬演示，[6]操作時(shí)通過(guò)調(diào)整軟件中的參數(shù)，突破空間與時(shí)間的束縛，為教學(xué)提供可視化情境。

教師在教學(xué)地球運(yùn)動(dòng)這一章節(jié)時(shí)，要善于發(fā)現(xiàn)學(xué)生面臨的空間問(wèn)題，尋找方法解決問(wèn)題。教師在課前與課后要布置合理的任務(wù)、優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生空間思維能力的養(yǎng)成。