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(fù)雜的，它們的名稱(chēng)不僅多種多樣，而且富含科學(xué)意義，它們被按照形狀、與地面的距離、飛行方向等進(jìn)行分類(lèi)。以前，我們介紹過(guò)人造地球的軌道分類(lèi)，但只知道軌道類(lèi)別還是無(wú)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(xué)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(chēng)軌道要素或軌道參數(shù)，是用來(lái)描述人造地球衛(wèi)星在其軌道運(yùn)行狀態(tài)的一組參數(shù)。通常情況下指的是用經(jīng)典萬(wàn)有引力定律、開(kāi)普勒三大定律描述天體按圓錐曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)所必需的六個(gè)參數(shù)：軌道半長(zhǎng)軸a、軌道偏心率e、軌道傾角i、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω、近地點(diǎn)幅角ω、真近點(diǎn)角v。

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

當(dāng)人造地球衛(wèi)星在橢圓形軌道上運(yùn)行時(shí)，地球中心（簡(jiǎn)稱(chēng)地心）位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。衛(wèi)星在運(yùn)行過(guò)程中的特點(diǎn)是距離地球有時(shí)近、有時(shí)遠(yuǎn)。軌道上距離地球最近的點(diǎn)叫近地點(diǎn)，最遠(yuǎn)的點(diǎn)叫遠(yuǎn)地點(diǎn)。它們分別位于長(zhǎng)軸的兩端，也就是說(shuō)近地點(diǎn)與遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的距離被稱(chēng)為橢圓軌道的長(zhǎng)軸，與其垂直的橢圓的另一個(gè)中心軸被稱(chēng)為短軸?？梢韵胍?jiàn)，長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度相差越多，橢圓形就愈加扁長(zhǎng);長(zhǎng)短軸數(shù)值越大，軌道距離地球表面就越遠(yuǎn)。

衛(wèi)星在橢圓形軌道上運(yùn)行時(shí)，各點(diǎn)的運(yùn)行速度是變化的，在近地點(diǎn)處衛(wèi)星運(yùn)行速度最快，在遠(yuǎn)地點(diǎn)處運(yùn)行速度最慢。依照航天界的統(tǒng)一定義，衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行一圈所需的時(shí)間叫作周期T。由此可見(jiàn)，不管衛(wèi)星運(yùn)行的橢圓軌道形狀如何，只要它們的半長(zhǎng)軸a相同，其運(yùn)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(chǎng)中運(yùn)行的，所以無(wú)論其軌道是圓形還是橢圓形，其平面都要通過(guò)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(jiàn)，橢圓形軌道的長(zhǎng)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(gè)不同的角度來(lái)確定。這三個(gè)角度與天文學(xué)上的兩個(gè)名詞即升交點(diǎn)和春分點(diǎn)有關(guān)。升交點(diǎn)就是衛(wèi)星從地球的南半球向北半球飛行時(shí)經(jīng)過(guò)地球赤道平面的那個(gè)點(diǎn)。在太陽(yáng)和地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，我們假設(shè)地球不動(dòng)，那么，太陽(yáng)從地球的南半球向北半球運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)地球赤道平面的那個(gè)點(diǎn)就叫春分點(diǎn)。弄清它們的含義，對(duì)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(diǎn)到地心的連線和從升交點(diǎn)到地心的連線之間的夾角，稱(chēng)為升交點(diǎn)赤經(jīng)，用Ω表示。

從升交點(diǎn)到地心的連線和從近地點(diǎn)到地心的連線之間的夾角，稱(chēng)為近地點(diǎn)幅角，用ω表示。

偏心率e是一個(gè)描述橢圓扁平程度的概念，它是橢圓兩個(gè)焦點(diǎn)間的距離與長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的比值。半長(zhǎng)軸a和偏心率e決定了橢圓的大小與扁平程度。當(dāng)橢圓軌道的偏心率e為O時(shí)，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(gè)平面之間的夾角，就稱(chēng)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(bào)道和文章介紹中經(jīng)常見(jiàn)到的一個(gè)名詞。當(dāng)軌道傾角i為O時(shí)，橢圓軌道就成了赤道軌道;當(dāng)軌道傾角i大于O而小于90度時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，該軌道被稱(chēng)為順行軌道;當(dāng)軌道傾角i為90度時(shí)，該軌道被稱(chēng)為極軌道，衛(wèi)星在兩極之間運(yùn)行;當(dāng)軌道傾角i大于90度而小于180度時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相反，該軌道被稱(chēng)為逆行軌道;當(dāng)軌道傾角i為180度時(shí)，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(diǎn)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?yàn)榫哂邢嗤瑑A角i的軌道平面在宇宙空間中可以有無(wú)限多個(gè)。只有軌道傾角i和升交點(diǎn)赤經(jīng)兩個(gè)參數(shù)都掌握了，才能確定軌道平面的方位。

以上五個(gè)軌道根數(shù)決定了衛(wèi)星在空間的實(shí)際軌道。最后一個(gè)根數(shù)將決定衛(wèi)星在軌道上何時(shí)處于何處的問(wèn)題。真近點(diǎn)角v就是衛(wèi)星從近地點(diǎn)起沿軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)其向徑掃過(guò)的角度。不過(guò)，比較常用的還是衛(wèi)星過(guò)近地點(diǎn)的時(shí)間tp。以年、月、日、時(shí)、分、秒表示，是運(yùn)動(dòng)時(shí)間的起量點(diǎn)。據(jù)此，就可以確定衛(wèi)星在宇宙空間中的位置與時(shí)間的關(guān)系，即什么時(shí)候在什么位置。

有了這六個(gè)軌道根數(shù)，科學(xué)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(duì)這些專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)就不再陌生了！