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"靜止軌道"(地球同步軌道;GEO/GSO)是一種衛星配合地球自轉的高地球軌道。位在地球赤道上方35786公里處,這個位置對於監測天氣、通信和監視是一個有價值的點。由於衛星繞行軌道速度跟地球自轉速度相同,衛星似乎停留在同一經度上方的位置,但衛星還是可能南北飄移。
被設計來繞行地球的衛星,依其距離遠近可分成三種基本軌道:低地球軌道、中地球軌道或高地球軌道。衛星位在離地球愈遠的軌道,它移動速度就愈慢。這是因為地球引力的作用;距離行星中心愈近的衛星比起較遠的衛星,重力會更強烈的拉住它。
因此低地球軌道衛星例如位在高度 400公里軌道上的國際太空站,將快速飛掠過地球表面在每天不同時間裡看見不同區域。在中地球軌道(約 2000至 35780公里)的衛星移動較慢,從而允許更詳細地研究一個區域。而在靜止軌道上,衛星的軌道週期與地球(大約 24小時)軌道相當,並且衛星幾乎靜止地出現在同一個點上方;它停留在相同經度但其軌道可能向北或南傾斜幾度。
在靜止軌道的衛星幾乎所有的時間裡都看著地球同一個地方。對於地球觀測而言,這允許衛星觀察一區域數個月或數年內有多少變化。缺點則是衛星被限制在一個小塊土地上;如果其他地方發生自然災害,由於燃料限制 衛星將不能移動到其他地區。但對軍方來說這是一個很大的好處。例如,如果美國關注世界某一個特定區域的活動 - 或者想要觀察其軍事行動 - 靜止軌道允許固定的圖片和特定區域的監控。這方面的例子是 2013年發射的美國"寬頻全球衛星通訊 5", 與其他四個 WGS衛星組成的“衛星群”(constellation),這擴展了軍事通訊系統讓其達到涵蓋全球的範圍。該網絡提供部隊、船艦,無人機和文職領導者,並且推測也有提供通訊給地面人員。民用通訊也從靜止軌道衛星得利。許多公司利用軌道衛星提供電話、網際網路、電視和其他服務。因為衛星固定在地面上方一個點盤旋,只要衛星連接到你想與之通信的位置,則跟該位置的通訊是可靠的。

 

 

軌道競爭

根據衛星信號有 402顆衛星在靜止軌道,在靜止軌道上也就是環繞地球的“圓圈”能容納許多顆衛星,最多可以有 1800顆。然而也有明顯的空間和技術限制。具體來說衛星必須保持在一個非常狹窄的區域,而不能偏離其指定的地球上空"狹窄位置"太遠;除此之外靜止軌道衛星也可能對其他衛星構成威脅。國際電信聯盟是一個分配靜止軌道"狹窄位置"和處理國家間關於"狹窄位置"糾紛的組織。同樣地在靜止軌道衛星耗盡燃料之前,移動幾乎快死亡的衛星進入位在靜止軌道上方的“墓地”軌道,為下一代衛星清除道路被認為是很好的做法。衛星間彼此也必須距離夠遠,以便他們的通信不會彼此干擾,這意味著衛星彼此要有1度或 3度的距離。隨著技術的改進把更多衛星擠在更小的點是可能的。

時間流逝下的靜止軌道衛星

timelapse geosats.jpg  

 

衛星發射 

雖然運載火箭可以把衛星直接送入"靜止軌道"(衛星仍須以自身推進裝置進行軌道微調整來完備最後位置而且火箭發射能力會下降很多)但一般發射都是把衛星送入"靜止轉移軌道"(地球同步轉移軌道;GTO),標準的飛行過程是火箭把衛星送入高度200多公里近地點上,衛星先繞行近地點高度200多公里、遠地點高度36000公里的橢圓軌道後在遠地點以本身主引擎點火進入靜止軌道。越靠近赤道地球自轉率越高,越往緯度高的地方地球自轉速度越慢,所以火箭發射場選在赤道附近較有利。歐洲的發射場就選在南美洲的法屬圭亞那(北緯五度),亞利安五火箭發射靜止軌道衛星時,其酬載可以每秒1500公尺的速度增量進入靜止軌道,而在其他緯度較高的發射場酬載則需以每秒1800公尺速度增量進入靜止軌道。後者會浪費衛星的推進劑導致衛星壽命變短,為了讓衛星依靠本身推進劑從靜止轉移軌道飛抵赤道面靜止軌道所需使用量達到最小化,火箭飛行可採用"長秒時慣性飛行GTO"(Long coast GTO) 或"超同步轉移軌道GTO"(Supersynchronous transfer orbit GTO)兩種,讓衛星酬載可以每秒1500公尺左右的速度抵達靜止軌道。與標準GTO相較這兩種飛行方式的上面級重複點火次數增加、火箭飛行更遠的距離、更久的時間、更高的高度來接近靜止軌道。進行長秒時慣性飛行時運載衛星的火箭上面級飛抵高度36000公里的遠地點,進行低推力點火來降低軌道傾斜角度至20度左右並提升近地點高度接著跟衛星分離衛星先繞行遠地點高度約 36000公里  近地點高度約 3000~4000公里的橢圓軌道後,最後再以自身引擎噴射進入靜止軌道。超同步轉移軌道方面,運載衛星的火箭上面級飛抵高度60000公里的遠地點(靜止軌道外側)點火來改變軌道平面與提高近地點高度,之後上面級釋放衛星。衛星獨自繞行遠地點高度 60000公里 近地點高度為 800~4000公里的橢圓軌道,飛抵近地點時衛星本身的主引擎會進行點火來降低軌道傾角與遠地點高度,使軌道變成圓形以進入靜止軌道另外還有一種較少見的發射任務稱為“次同步轉移軌道GTO”(Sub-synchronous transfer orbit GTO)。這種軌道的近地點高度與標準GTO相同,但遠地點高度大約只有標準GTO遠地點的一半,所以衛星本身需要搭載更多推進劑來提升遠地點高度。衛星在近地點跟火箭上面級分離後,先繞行近地點高度200多公里、遠地點高度18000公里的橢圓軌道,飛回近地點時衛星的主引擎需要點火提高遠地點高度到36000公里,之後飛抵遠地點再點火進入靜止軌道。

 

美國東岸卡納維爾角基地的幾種GTO發射:
Subsynch GTO. 250x 18000km x 27deg orbit
標準GTO. 250x 36000km x 27deg orbit
Supersynch GTO. 800x 60000kmx 27deg orbit
Long coast GTO. 3000x 36000km x 20deg orbit

 

 

運載火箭進行長秒時慣性飛行 GTO任務的飛行路徑圖,火箭飛行時間超過4小時。

Typical flight trajectory for Long-coast GTO mission (H2A204) Latitude ~ Longitude.png

 

Proton-M運載火箭進行超同步轉移軌道任務的飛行路徑圖火箭總共飛行了 15小時

super-synchronous transfer orbit(SSTO GTO).png  

 

Proton-M的第四段也可進行長秒時慣性飛行GTO

long-coast GTO.jpg  

 

 

長秒時慣性飛行 GTO與標準 GTO飛行時間、距離、高度與速度比較表,進行長秒時慣性飛行 GTO任務時 運載火箭在高度約 3萬多公里的遠地點附近與衛星分離。 

H2A NO.29 VS NO.25.1.png

 

長秒時慣性飛行 GTO( F29 )與標準 GTO( F25 )的飛行路徑比較圖,標準 GTO任務 火箭起飛 30分鐘左右就釋放衛星進入 250公里的近地點 ,長秒時慣行飛行 火箭飛行至高度  3.6萬公里的遠地點再度點火。 

H2A NO.29 VS NO.25.png   

 

 

註:Inclination   The orbit ellipse lies in a plane, and this plane forms an angle with the plane of the equator. This angle is called the inclination. Think of it as the tilt between the orbit and the equator. The inclination ranges from 0 to 180 degrees. Inclinations of near 0 degrees are called equatorial orbits, and those near 90 degrees are called polar orbits. By convention, orbits that go the same way as the Earth rotates (counter-clockwise from above) have inclinations of 0 to 90 degrees. Satellites that orbit retrograde, opposite to the rotation of the Earth, have inclinations great than 90 degrees. For example, if the orbit went exactly around the equator from left to right, then the inclination would be 0. And a satellite with an inclination of 180 degrees is in an equatorial orbit going east to west.

 

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