地球静止轨道卫星基础知识

一种非常流行的轨道格式是地球静止卫星轨道。地球静止轨道被许多应用使用，包括直接广播以及通信或中继系统。

地球静止轨道的优点是卫星全天保持在同一位置，天线可以指向卫星并保持在轨道上。

这一因素对于直播电视等应用尤为重要，因为在这些应用中，改变天线的方向是不切实际的。

有必要注意地球静止轨道缩写的使用。GEO和GSO都被看到，并且都用于地球同步轨道。

地球静止轨道发展

地球静止轨道的想法已经假设了很多年。基本思想的可能发起人之一是俄罗斯理论家和科幻小说作家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。然而，赫尔曼·奥伯斯（Herman Oberth）和赫尔曼·波托尼克（Herman Potocnik）写了关于在地球上空35 900公里高度的轨道站的文章，这些轨道站的自转周期为24小时，使其似乎悬停在赤道上的一个固定点上。

1945 年 10 月，科幻小说作家亚瑟·克拉克 （Arthur C Clarke） 在英国主要的电子和广播出版物《无线世界》上发表了一篇严肃的文章。这篇文章的标题是“外星中继：火箭站能提供世界报道吗？

克拉克推断了当时的德国火箭技术可以做什么，并研究了未来可能发生的事情。他推测，仅用三颗地球静止卫星就可以提供完整的全球覆盖。

Arthur C Clarke的地球静止轨道卫星概念

在文章中，克拉克确定了所需的轨道特性以及发射机功率水平，可以使用太阳能发电，甚至计算日食的影响。

克拉克的文章远远领先于时代。直到 1963 年，美国宇航局才能够开始发射可以测试该理论的卫星。第一颗能够开始测试该理论的可用卫星是1963年7月26日发射的Syncom 2。[Syncom 1 因无法到达正确的地球静止轨道而失败]。

地球静止轨道基础知识

随着卫星高度的增加，卫星进入轨道的时间也会增加。在35790公里的高度，卫星需要24小时才能进入轨道。这种类型的轨道被称为地球同步轨道，即它与地球同步。

地球同步轨道的一种特殊形式称为地球静止轨道。在这种类型的轨道上，卫星的旋转方向与地球的自转方向相同，并且大约有 24 小时的周期。这意味着它以与地球相同的角速度和相同的方向旋转，因此相对于地球保持在相同的位置。

为了确保卫星以与地球完全相同的速度旋转，有必要准确说明地球自转的时间。对于大多数计时应用，地球的自转是相对于太阳的平均位置来测量的，地球的自转与绕太阳的自转相结合，提供了一天的时间长度。然而，这并不是我们感兴趣的给出地球静止轨道的确切旋转 - 所需的时间只是一次旋转所需的时间。这个时间段被称为恒星日，长 23 小时 56 分 4 秒。

几何学表明，每天旋转一次的轨道可以保持在地球表面完全相同的位置上的唯一方法是它沿与地球自转相同的方向移动。此外，它的任何轨道都不得向北或向南移动。只有当它停留在赤道上空时，才会发生这种情况。

地球静止轨道只能在赤道上空

从图中可以看出不同的轨道。由于所有轨道平面都需要穿过地球的地心，因此显示了两个可用的选项。即使两个轨道都以与地球相同的速度旋转，标记为地球同步轨道的轨道也将在一天中的部分时间内移动到赤道以北，而在另一半轨道下方移动 - 它不会是静止的。要使卫星静止，它必须在赤道上方。

地球静止卫星漂移

即使将卫星置于地球静止轨道上，也有一些力可以作用于它，使其随着时间的推移缓慢改变其位置。

包括地球的椭圆形、太阳和月亮的引力等因素都会增加卫星的轨道倾角。特别是地球在赤道周围的非圆形形状倾向于将卫星吸引到两个稳定的平衡点，一个在印度洋上方，另一个非常粗略地在世界的另一端。这导致了所谓的东西向解放或来回移动。

为了克服这些运动，卫星携带燃料，使它们能够进行“驻站保持”，将卫星返回到其所需位置。驻站机动的间隔时间由卫星上的允许容差决定，而该容差主要由地面天线波束宽度决定。这意味着无需重新调整天线。

通常，卫星的使用寿命取决于燃料允许进行空间站维护的时间。通常这将是几年。在此之后，卫星可以漂移到两个平衡点之一，并可能重新进入地球大气层。首选方案是让卫星利用一些最后的燃料将它们提升到更高和不断增加的轨道，以防止它们干扰其他卫星。

地球静止轨道覆盖

一颗地球静止卫星显然无法提供完整的全球覆盖。然而，一颗地球静止卫星可以看到大约42%的地球表面，而卫星的覆盖范围下降，无法“看到”地球表面。这发生在赤道周围，也发生在极地地区。

地球静止卫星覆盖

对于全球等距分布的三颗卫星组成的星座，可以完全覆盖赤道周围和南北纬81°。

对于大多数用户来说，缺乏极地覆盖不是问题，尽管在需要极地覆盖的地方，需要使用其他形式的轨道的卫星。

地球静止轨道和路径长度/延迟

在地球静止轨道上使用卫星的问题之一是路径长度引入的延迟。

任何地球静止卫星的路径长度至少为 22300 英里。这假设用户位于卫星的正下方，以提供最短的路径长度。实际上，用户不太可能处于此位置，并且路径长度会更长。

假设路径长度最短，这给出了单次行程，即到卫星或返回至少约 120 毫秒。这意味着从地面到卫星并返回的往返行程大约为四分之一秒。

因此，要在对话中获得响应可能需要半秒钟，因为信号必须通过卫星两次 - 一次是向外到达远程听众的旅程，然后是响应。当使用卫星链路时，这种延迟会使电话交谈变得相当困难。当新闻记者使用卫星链接时也可以看到它。当被问到广播公司演播室的问题时，记者似乎需要一些时间来回答。这种延迟是许多长距离链路使用电缆而不是卫星的原因，因为产生的延迟要小得多。

地球静止轨道卫星的优缺点

虽然地球静止轨道广泛用于许多卫星应用，但它并不适合所有情况。有几个优点和缺点需要考虑：

地球静止轨道优势：

卫星始终处于相对于地球的相同位置 - 天线不需要重新定向

地球静止轨道的缺点：

与LEO或MEO相比，路径长度较长，因此损耗较大。

鉴于海拔更高，卫星在GEO中的安装成本更高。

较长的路径长度会带来延迟。

地球静止卫星轨道只能在赤道以上，因此无法覆盖极地地区。

尽管在地球静止轨道上使用卫星有缺点，但它们仍然被广泛使用，因为卫星相对于地球上的给定位置始终处于同一位置的压倒性优势。

审核编辑：黄飞