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來源：互聯(lián)網(wǎng)

地球同步衛(wèi)星（Geosynchronous Satellite）是指運行在地球同步軌道上，運行周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，且轉(zhuǎn)動方向也相同的人造衛(wèi)星，屬高軌衛(wèi)星。

1942年，美國科幻小說作者喬治·史密斯（George O. Smith）首次提出了“地球同步軌道”的概念。1945年，英國科幻小說家亞瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）對這一概念作出推廣，并將其命名為“克拉克軌道”（Clarke Orbit）。1959年，第一顆地球同步衛(wèi)星“辛康2號”（Syncom Ⅱ）被哈羅德·羅森（Harold Rosen）設(shè)計出，并由美國航空航天局于1963年發(fā)射。地球同步衛(wèi)星的運行軌道離地球中心大約有42164公里，距離地面大約35,786公里，其運轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，為一個恒星日，即23小時56分4秒。衛(wèi)星在軌道上的繞行速度約為3.1公里每秒，角速度與地球自轉(zhuǎn)相同。

地球同步衛(wèi)星按其軌道傾角不同，可分為地球靜止衛(wèi)星、傾斜軌道同步衛(wèi)星和極地軌道同步衛(wèi)星。適于高空氣象觀測和全球通信，常用于通信、氣象、導(dǎo)航以及軍事情報搜集等。

發(fā)展歷史

提出理念

1929年，斯洛文尼亞火箭工程師赫爾曼·波托西尼克（Herman Poto?nik）描述了地球靜止軌道，該軌道被稱為對地靜止軌道或地球同步赤道軌道。

1942年，美國科幻小說作者喬治·史密斯（George O. Smith）在其作品《Venus Equilateral》中首次提出了“地球同步軌道”的概念，但史密斯并未在作品中詳細給出介紹。1945年，英國科幻小說家亞瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）在一篇題為《地球外的中繼——衛(wèi)星能給出全球范圍的無線電覆蓋嗎？》（Extra-Terrestrial Relays– Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?）的作品中針對“地球同步軌道”這一概念做了進一步推廣，并在《無線世界》（Wireless world）雜志上發(fā)表。克拉克最初將其描述為“對廣播和中繼通信衛(wèi)星有用的軌道”，并將其命名為“克拉克軌道”（Clarke Orbit）。同樣，在此軌道上運行的人造天體集合被稱為“克拉克帶”（Clarke Belt）。

應(yīng)用歷程

1959年，第一顆地球同步衛(wèi)星“同步通信2號”（Syncom Ⅱ）由休斯飛機公司的哈羅德·羅森（Harold Rosen）在工作時設(shè)計而出。1961年，羅森和他的團隊一同制造出了一個直徑76厘米，高38厘米，重11.3千克的圓柱體衛(wèi)星原型。

1963年7月26日，美國國家航空宇航局發(fā)射了“辛康2號”（Syncom Ⅱ）同步通信衛(wèi)星，在非洲、歐洲和美國之間進行電話、電報、傳真通信。由于這顆衛(wèi)星有30度轉(zhuǎn)軸傾角，因此它的運行軌道相對于地面作8字形移動。1964年8月19日，美國發(fā)射了“同步3號”（Syncom Ⅲ）衛(wèi)星。這是世界上第一顆地球同步靜止軌道通信衛(wèi)星。

1965年的4月6日，國際衛(wèi)星通信組織（INTERSAT）發(fā)射了一顆半試驗、半實用的靜止通信衛(wèi)星——“晨鳥”（Early Bird），又稱為“國際通信衛(wèi)星-Ⅰ（Intelsat 1）”，作為世界上第一顆實用型商業(yè)通信衛(wèi)星，它為北美和歐洲之間提供通信服務(wù)，開創(chuàng)了衛(wèi)星商用通信的新時代。“晨鳥”標(biāo)志著衛(wèi)星通信從試驗階段轉(zhuǎn)入實用階段，同步衛(wèi)星通信時代的開始。

1974年4月13日，由西聯(lián)匯款公司和美國航空航天局共同發(fā)射美國國內(nèi)第一顆商業(yè)地球同步通信衛(wèi)星：亞洲一號（Westar 1），美國借此美國組建了由3顆衛(wèi)星（一顆備用）構(gòu)成的國內(nèi)通信衛(wèi)星系統(tǒng)，把電報、電話、電視和數(shù)據(jù)傳輸?shù)矫绹就恋母鱾€地區(qū)。中國于1984年4月8日、1986年2月1日和1988年3月7日分別發(fā)射3顆用于通信廣播的地球同步衛(wèi)星。其中，1984年4月8日，中國長征3號運載火箭成功地發(fā)射了首枚地球同步衛(wèi)星一東方紅2號試驗通信衛(wèi)星。1997年5月12日，用“長征3號甲”運載火箭將“東方紅3號”同步通信衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，并定點在東經(jīng)105°赤道上空。1997年6月10日用“長征3號”運載火箭將“風(fēng)云2號”同步氣象衛(wèi)星送入軌道。

截止到1997年底，僅亞太地區(qū)就有98顆地球同步衛(wèi)星（載有2003個轉(zhuǎn)發(fā)器）向該地區(qū)提供服務(wù)，1998年發(fā)射了15顆同樣類型的衛(wèi)星。

2016年11月19日，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）最新的地球同步氣象衛(wèi)星GOES-16發(fā)射成功。12月11日，中國靜止軌道氣象衛(wèi)星“風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星”01星成功發(fā)射。2018年至2020年間，中國先后發(fā)射成功北斗三號首顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星及北斗三號GEO-2、GEO-3衛(wèi)星。截至2018年，共有446顆地球同步通信衛(wèi)星，圍繞地球運行。

地球同步軌道

地球同步衛(wèi)星是運行在地球同步軌道上的衛(wèi)星，地球同步軌道（Geosynchronous Orbit，即GSO）是一個以地球為中心，且軌道周期和地球繞定軸自轉(zhuǎn)周期（23 h 56 min 4 s）相一致的軌道。繞地運動的軌道周期同步意味著，對于一個在地表的觀測者而言，地球同步軌道上的一個物體經(jīng)過一個恒星日后，會回到天空中完全相同的位置。在一天的時間內(nèi)，物體在空中一般為保持靜止，或以“8”字形的路徑運行，其精確特性取決于軌道的偏心率和軌道傾角。圓形地球同步軌道具有恒定的高度——即軌道和地表距離為35786千米（22236英里），并且所有的地球同步軌道共用同一長度的半長軸。

軌道周期

所有地球同步軌道的軌道周期恰好等于一個恒星日。這意味著無論其他軌道特性如何，衛(wèi)星都將（每天）返回到地球表面上方的同一點。

星下點軌跡

地球靜止軌道衛(wèi)星在任何時刻都處于地面上同一地點的上方，地面觀察者看到衛(wèi)星始終位于某一位置，靜止不動。其星下點軌跡是一個點。一般情況下，衛(wèi)星軌道具有一定的軌道傾角和偏心率，這就造成了星下點軌跡為一個扭曲的“8”字形，且每個恒星日返回到相同的位置一次。

發(fā)射軌道

人造衛(wèi)星由運載火箭發(fā)射入軌，從發(fā)射點到入軌點的飛行軌跡叫發(fā)射軌道。發(fā)射軌道包括短距/垂直起降機段、程序轉(zhuǎn)彎段和入軌段。垂直起飛段和程序轉(zhuǎn)彎段都大同小異，但入軌段根據(jù)軌道高度的不同有直接入軌、滑行入軌和過渡轉(zhuǎn)移入軌之分。低軌道衛(wèi)星一般直接入軌，中、高軌道衛(wèi)星常常滑行入軌；同步衛(wèi)星常常采用過渡轉(zhuǎn)移軌道入軌，它因火箭的級數(shù)不同而有差異，對于三級火箭來說，其發(fā)射過程大致可分為三個階段。

第一階段

第一階段是垂直起飛，轉(zhuǎn)彎飛行，進入停候軌道階段。由于地球表面附近大氣稠密，火箭飛行時受到的阻力很大，為盡快離開大氣層，通常采用垂直向上發(fā)射，容易保證飛行的穩(wěn)定。發(fā)射后經(jīng)很短幾分鐘加速火箭已達到相當(dāng)大的速度，至第一級火箭脫離時，火箭已處于稠密大氣層之外。其次，要進入衛(wèi)星軌道，除要加速到足夠大的速度外，速度方向也需要基本上平行于當(dāng)?shù)氐厍虮砻妫柙谶M入停候軌道前使速度向量轉(zhuǎn)90°，在主動段上改變速度需要分用一部分發(fā)動機推力而消耗推進劑。

火箭的速度越大，轉(zhuǎn)彎越難，就要消耗更多的能量。因而在起飛后不久，當(dāng)速度還不很大時，盡快轉(zhuǎn)彎，這樣可以節(jié)省能量。綜合考慮多方面的因素選擇先進入100~200 km高的停候軌道的做法是最適宜的。此后第二級火箭點火繼續(xù)加速，直至其脫離。當(dāng)?shù)诙壔鸺撾x后，衛(wèi)星連同第三級火箭一并進入停候軌道，成為地球衛(wèi)星。這意味著它已經(jīng)具有約7.90 km/s的第一宇宙速度，并運行在離地面約100~200 km的近地圓軌道上。

第二階段

第二階段是橢圓轉(zhuǎn)移軌道階段。在停候軌道上運行少許時間后，火箭再次點火，發(fā)動第三級，使裝有遠地點發(fā)動機的衛(wèi)星進入一個大橢圓的轉(zhuǎn)移軌道，此橢圓的遠地點和近地點都在赤道平面上，并且遠地點與同步軌道相交。當(dāng)衛(wèi)星連同第三級火箭運行至某一預(yù)計點時，火箭再次點火加速，達到預(yù)計速度后熄火（橢圓軌道近地點），然后衛(wèi)星靠本身的慣性在球體引力作用下沿一條橢圓軌道飛行。用以過渡的這條橢圓軌道的遠地點必須在赤道上空離地高度為358000 km處。

第三階段

第三階段是衛(wèi)星上的遠地點發(fā)動機點火，衛(wèi)星入軌。在橢圓轉(zhuǎn)移軌道的遠地點上，地面測控站發(fā)出指令，點燃裝在衛(wèi)星上的發(fā)動機，按計算好的方向適當(dāng)加速，改變軌道平面，衛(wèi)星進入同步圓軌道。如果發(fā)射場在赤道上，便可在赤道上空358000 km的遠地點處點燃遠地點發(fā)動機，在軌道平面內(nèi)水平方向適當(dāng)加速，使衛(wèi)星速度等于同步軌道速度，衛(wèi)星正式入軌。入軌后的地球同步衛(wèi)星利用推進器和反作用力相對于地球靜止于太空中。這些設(shè)備可以讓衛(wèi)星根據(jù)需要對其位置進行微調(diào)，以保持其軌道與地球自轉(zhuǎn)速度相同。

分類

地球同步衛(wèi)星按其軌道傾角的不同可分為地球靜止衛(wèi)星、傾斜軌道同步衛(wèi)星和極地軌道同步衛(wèi)星。

應(yīng)用領(lǐng)域

地球同步衛(wèi)星通常用于各種目的，例如與航天器（如哈勃空間望遠鏡和航天飛機）來回通信、語音通信、互聯(lián)網(wǎng)、廣播有線電視和無線電信號以及天氣預(yù)報。除了氣象衛(wèi)星外，一個突出的應(yīng)用就是通過地球同步軌道上的4顆跟蹤和中繼衛(wèi)星系統(tǒng)高速率地傳送中低軌道地球觀測衛(wèi)星或航天飛機所獲取的地球資源與環(huán)境遙感數(shù)據(jù)。

通信

衛(wèi)星通信是借助地球同步衛(wèi)星來彌補微波在地面?zhèn)鞑サ牟蛔恪Ｓ猛酵ㄐ判l(wèi)星做中繼站，可以使它轉(zhuǎn)發(fā)的微波天線電信號跨越大陸和海洋達到地球上的很大范圍，很多電視節(jié)目都是通過衛(wèi)星傳送的。通信衛(wèi)星大多是相對地球“靜止”的同步衛(wèi)星，在地球周圍均勻配置三顆通信衛(wèi)星就可以實現(xiàn)全球通信。高空衛(wèi)星用于長途和移動電話通信以及互聯(lián)網(wǎng)連接。例如，寬帶全球區(qū)域網(wǎng)絡(luò)使用地球同步衛(wèi)星進行全球移動通信。

廣播

地球同步衛(wèi)星通常用于廣播電視和廣播節(jié)目。電視信號可以從地球赤道上方固定位置的衛(wèi)星直接傳送到觀眾所在的位置。由于它們的高海拔，重傳的信號可以被地球表面的大片區(qū)域接收到。

氣象觀測

一個全球性的地球靜止氣象衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可收集地球表面和大氣的可見光和紅外圖像，用于天氣觀測、海洋學(xué)和大氣跟蹤。地球同步衛(wèi)星圖像已被用于跟蹤火山灰、測量云頂溫度和水蒸氣、海洋學(xué)、測量陸地溫度和植被覆蓋、簡化氣旋路徑預(yù)測和提供實時云覆蓋數(shù)據(jù)。一些信息已被組合到氣象預(yù)報模型中，但由于其視場寬、全時監(jiān)測和分辨率較低，主要用于短期和實時預(yù)報。

地球同步氣象衛(wèi)星提供有關(guān)天氣模式和風(fēng)暴系統(tǒng)的實時信息。例如，地球靜止運行環(huán)境衛(wèi)星（GOES）系列是美國航空航天局和國家海洋和大氣管理局（NOAA）共同提供當(dāng)?shù)靥鞖饩瘓蟮捻椖俊覛庀缶质荖OAA的一部分，使用GOES-18捕捉大氣測量和閃電活動的實時地圖，并監(jiān)測空間天氣。另一個例子是歐洲航天局的氣象衛(wèi)星系列。

遙感

地球同步衛(wèi)星配備了傳感器來收集數(shù)據(jù)和監(jiān)測地球表面的事件。例如，它們被用來研究短期的海洋和海岸現(xiàn)象，如海洋和洋流之間的跨大陸架交換。也可以用來監(jiān)測火災(zāi)。自動生物質(zhì)燃燒算法（ABBA）是在20世紀(jì)90年代使用地球同步運行環(huán)境衛(wèi)星GOES-7和GOES-8數(shù)據(jù)創(chuàng)建的，它在南美廣泛用于監(jiān)測火災(zāi)情況。地球同步衛(wèi)星可提供火災(zāi)位置和特征、火災(zāi)輻射功率、火災(zāi)規(guī)模和火災(zāi)溫度等。

導(dǎo)航

地球同步衛(wèi)星也被用來通過傳送時鐘、星歷和電離層誤差修正來增強導(dǎo)航系統(tǒng)，這些誤差修正是從已知位置的地面站計算出來的，并提供額外的參考信號。全球定位系統(tǒng)和其他導(dǎo)航系統(tǒng)使用地球同步衛(wèi)星數(shù)據(jù)來提高自身的精度，使用高空衛(wèi)星為GPS接收器提供一個已知的校準(zhǔn)點。

例如中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，簡稱“BDS”）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會已認定的供應(yīng)商。

截至2017年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段計劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。可用于個人位置導(dǎo)航、行車記錄導(dǎo)航、沙漠/山區(qū)/海洋等人煙稀少地區(qū)的搜索救援等，軍隊可利用“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)執(zhí)行部隊指揮與管制及戰(zhàn)場管理。