正如劇院中的不同座位為表演提供不同的視角一樣，不同的地球軌道為衛星提供了不同的視角，每個視角都有價值，原因不同 。有些似乎懸停在一個地方上，提供了地球一個面的恒定視圖，而另一些則環繞著地球，在一天內在許多不同的地方上空穿梭 。

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國際空間站和其他軌道衛星在地球上空飛行數百公里，為我們的星球提供了獨特的視角 。（美國宇航局照片S126-E-014918 。
地球軌道基本上有三種類型：高地球軌道、中地球軌道和低地球軌道 。許多天氣和一些通信衛星往往具有高地球軌道，離地表最遠 。在中（中）地球軌道上運行的衛星包括導航衛星和專用衛星，旨在監測特定區域 。大多數科學衛星，包括美國宇航局的地球觀測系統艦隊，都有低地球軌道 。


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對軌道進行分類的一種方法是按高度 。低地球軌道從大氣層頂部開始，而高地球軌道從大約十分之一開始到達月球 。（羅伯特·西蒙的NASA插圖）
軌道的高度或衛星與地球表面之間的距離決定了衛星繞地球移動的速度 。地球軌道衛星的運動主要由地球引力控制 。隨著衛星離地球越來越近，重力的拉力越來越強，衛星的移動速度也更快 。例如，美國宇航局的Aqua衛星需要大約99分鐘才能繞地球運行約705公里，而距離地球表面約36，000公里的氣象衛星需要23小時56分4秒才能完成一個軌道 。月球距離地球中心384，403公里，在28天內完成一個軌道 。


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衛星的軌道越高，它的移動速度就越慢 。某些軌道高度具有特殊屬性，例如地球同步軌道，其中衛星每天只繞地球一周 。此圖中每個紅色箭頭的長度表示衛星在一小時內行駛的距離 。查看動畫 。（羅伯特·西蒙（Robert Simmon）的NASA插圖 。
改變衛星的高度也會改變它的軌道速度 。這就引出了一個奇怪的悖論 。如果衛星操作員想要提高衛星的軌道速度，他不能簡單地發射推進器來加速衛星 。這樣做會提高軌道（增加高度），這會減慢軌道速度 。相反，他必須向與衛星向前運動相反的方向發射推進器，這種動作在地面上會減慢移動的車輛 。這一變化將把衛星推入較低的軌道，這將增加其前進速度 。
除了高度，偏心率和傾角也決定了衛星的軌道 。偏心率是指軌道的形狀 。具有低離心率軌道的衛星圍繞地球近圈移動 。偏心軌道是橢圓形的，衛星與地球的距離根據其在軌道上的位置而變化 。


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軌道的偏心率（e）表示軌道與完美圓的偏差 。圓形軌道的偏心率為 0，而高偏心軌道的偏心率更接近（但始終小于）1 。偏心軌道上的衛星圍繞橢圓的一個焦點移動，而不是圍繞中心移動 。（羅伯特·西蒙（Robert Simmon）的NASA插圖 。
傾角是軌道相對于地球赤道的角度 。直接在赤道上方軌道運行的衛星的傾角為零 。如果衛星從北極（地理，非磁性）到南極的軌道，則其傾角為90度 。


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軌道傾角是軌道平面與赤道之間的角度 。軌道傾角為0°，正上方為90°，軌道傾角為正上方，軌道傾角為180°，與地球自轉方向相反 。（羅伯特·西蒙（Robert Simmon）的NASA插圖 。
衛星的高度、偏心率和傾角共同決定了衛星的路徑以及它對地球的看法 。
高軌衛星
當一顆衛星距離地球中心正好42，164公里（距離地球表面約36，000公里）時，它進入了一種“最佳點”，其軌道與地球的自轉相匹配 。由于衛星的軌道速度與地球轉動的速度相同，因此衛星似乎停留在單個經度上，盡管它可能從北向南漂移 。這種特殊的高地球軌道被稱為地球同步軌道 。
【人造衛星種類介紹 人造衛星有哪些】直接在赤道上空的圓形地球同步軌道上的衛星（偏心率和傾角為零）將具有相對于地面根本不移動的地球靜止軌道 。它總是直接在地球表面的同一位置上 。
地球靜止軌道對于天氣監測非常有價值，因為該軌道上的衛星提供了相同表面積的恒定視圖 。當你登錄你最喜歡的天氣網站，查看你家鄉的衛星視圖時，你看到的圖像來自地球靜止軌道上的衛星 。每隔幾分鐘，像地球靜止實用環境衛星（GOES）衛星這樣的地球靜止衛星就會發送有關云，水蒸氣和風的信息，這種近乎恒定的信息流是大多數天氣監測和預報的基礎 。


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地球靜止軌道上的衛星與地球在赤道正上方旋轉，持續停留在同一地點上方 。這個位置允許衛星觀察天氣和其他在短時間內變化的現象 。（NASA圖片由Marit Jentoft-Nilsen和Robert Simmon拍攝 。
由于地球靜止衛星始終位于單個位置，因此它們也可用于通信（電話，電視，廣播） 。GOES衛星由美國宇航局建造和發射，由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）運營，提供了一個搜索和救援信標，用于幫助定位遇險的船只和飛機 。
最后，許多高地球軌道衛星監測太陽活動 。GOES衛星攜帶大量“空間天氣”儀器，可以拍攝太陽圖像并跟蹤周圍空間中的磁和輻射水平 。
其他軌道“甜蜜點”，就在高地球軌道之外，是拉格朗日點 。在拉格朗日點，來自地球的引力抵消了來自太陽的引力 。放置在這些點上的任何東西都會感覺同樣被拉向地球和太陽，并將與地球圍繞太陽旋轉 。
在日地系統中的五個拉格朗日點中，只有最后兩個，稱為L4和L5，是穩定的 。其他三個點的衛星就像一個在陡峭山頂平衡的球：任何輕微的擾動都會將衛星推出拉格朗日點，就像球從山上滾下來一樣 。這三個點的衛星需要不斷調整以保持平衡和到位 。最后兩個拉格朗日點的衛星更像是碗里的球：即使受到干擾，它們也會回到拉格朗日點 。


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拉格朗日點是衛星和地球圍繞太陽旋轉時相對于地球保持靜止的特殊位置 。L1 和 L2 分別位于地球的晝側和黑夜側上方 。L3在太陽的另一邊，與地球相對 。L4和L5在同一軌道上與地球前后60° 。（羅伯特·西蒙（Robert Simmon）的NASA插圖 。


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離地球最近的拉格朗日點大約是從地球到月球距離的5倍 。L1位于太陽和地球之間，總是看到地球的日光面 。L2與太陽相對，總是在夜晚 。（羅伯特·西蒙（Robert Simmon）的NASA插圖 。
第一個拉格朗日點位于地球和太陽之間，使衛星在這一點上可以持續觀察太陽 。太陽和日光層天文臺（SOHO）是美國宇航局和歐洲航天局負責監測太陽的衛星，它繞距離地球約150萬公里的第一個拉格朗日點運行 。
第二個拉格朗日點與地球的距離大致相同，但位于地球后面 。地球總是在第二個拉格朗日點和太陽之間 。由于太陽和地球在一條線上，這個位置的衛星只需要一個隔熱罩來阻擋來自太陽和地球的熱量和光線 。它是太空望遠鏡的好位置，包括未來的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（哈勃的繼任者，計劃于2014年發射）和目前的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP），用于通過繪制背景微波輻射來研究宇宙的性質 。
第三個拉格朗日點與太陽另一側的地球相對，因此太陽總是在它和地球之間 。處于這個位置的衛星將無法與地球通信 。極其穩定的第四和第五個拉格朗日點位于地球圍繞太陽的軌道路徑上，前后60度 。雙太陽地球關系天文臺（STEREO）航天器將在第四和第五個拉格朗日點軌道運行，以提供太陽的三維視圖 。


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雙太陽地球關系天文臺（STEREO）航天器于2009年7月5日在前往L4和L5的途中拍攝了太陽黑子1024的這些圖像 。從地球軌道后方（左）和前方（右）60度的太陽視角揭示了太陽表面的部分，否則這些部分將被隱藏在視野之外 。（NASA圖片由STEREO科學中心提供 。
中軌衛星
離地球更近，中地球軌道上的衛星移動得更快 。兩個中地球軌道值得注意：半同步軌道和莫爾尼亞軌道 。
半同步軌道是距離地心26，560公里（地表以上約20，200公里）的近圓形軌道（低偏心率） 。這個高度的衛星需要12個小時才能完成一個軌道 。當衛星移動時，地球在其下方旋轉 。在24小時內，衛星每天穿過赤道上的相同兩個點 。這個軌道是一致的，高度可預測的 。它是全球定位系統（GPS）衛星使用的軌道 。
第二個常見的中地球軌道是莫爾尼亞軌道 。由俄羅斯人發明的Molniya軌道非常適合觀測高緯度地區 。地球靜止軌道因其提供的恒定視圖而很有價值，但地球靜止軌道上的衛星停在赤道上空，因此它們不適用于遙遠的北部或南部位置，這些位置始終處于地球靜止衛星的視野邊緣 。莫爾尼亞軌道提供了一個有用的選擇 。


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Molniya軌道結合了高傾角（63.4°）和高偏心率（0.722），以最大限度地延長高緯度地區的觀察時間 。每個軌道持續12小時，因此軌道的緩慢，高空部分每天和黑夜在同一位置重復 。俄羅斯通信衛星和天狼星無線電衛星目前使用這種類型的軌道 。（改編自Vincent L. Pisacane的Fundamentals of Space Systems，2005年 。
Molniya軌道非常偏心：衛星以極端橢圓移動，地球靠近一個邊緣 。因為它被我們星球的引力加速，所以當它靠近地球時，衛星移動得非?？?。當它遠離時，它的速度會減慢，因此它會在離地球最遠的軌道頂部花費更多的時間 。一顆處于Molniya軌道上的衛星需要12個小時才能完成其軌道，但它在一個半球上花費了大約三分之二的時間 。像半同步軌道一樣，Molniya軌道上的衛星每24小時經過相同的路徑 。這種類型的軌道對于遠北或南方的通信很有用 。
低軌衛星
大多數科學衛星和許多氣象衛星都處于近圓形的低地球軌道上 。衛星的傾角取決于發射衛星進行監測的內容 。發射了熱帶降雨測量任務（TRMM）衛星，以監測熱帶地區的降雨量 。因此，它的傾角相對較低（35度），停留在赤道附近 。


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TRMM的低軌道傾角 – 距離赤道僅35° – 使其儀器能夠集中在熱帶地區 。此圖像顯示了 TRMM 在一天內進行的一半觀測 。（NASA圖片由TRMM項目提供 。
美國宇航局地球觀測系統中的許多衛星都有近極軌道 。在這個高度傾斜的軌道上，衛星繞地球從一極移動到另一極，大約需要99分鐘才能完成一個軌道 。在軌道的一半內，衛星可以看到地球的白天一側 。在極點，衛星越過地球的夜間一側 。
當衛星繞軌道運行時，地球在下面轉動 。當衛星回到白天時，它已經越過了與其最后一個軌道上看到的區域相鄰的區域 。在24小時內，極地軌道衛星將兩次觀察地球的大部分地區：一次在白天，一次在黑暗中 。
正如地球同步衛星在赤道上空有一個最佳點，可以讓它們停留在地球上的一個點上一樣，極軌道衛星有一個甜蜜點，可以讓它們停留在一次時間上 。這個軌道是太陽同步軌道，這意味著無論何時何地，衛星越過赤道，地面上的當地太陽時總是相同的 。例如，對于Terra衛星，當衛星穿越巴西赤道時，總是在早上10：30左右 。當衛星在大約99分鐘后繞地球進行下一次立交橋時，它會在當地時間10：30左右越過厄瓜多爾或哥倫比亞的赤道 。


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太陽同步軌道每天（和黑夜）在大約相同的當地時間穿過赤道 。該軌道允許一致的科學觀測，太陽和地球表面之間的角度保持相對恒定 。這些插圖顯示了一顆太陽同步衛星的 3 個連續軌道，赤道穿越時間為下午 1：30 。衛星最近的軌道由深紅色線表示，而較舊的軌道則為淺紅色 。查看動畫 。（羅伯特·西蒙（Robert Simmon）的NASA插圖 。
太陽同步軌道對于科學來說是必要的，因為它使地球表面的陽光角度盡可能保持一致，盡管角度會隨著季節而變化 。這種一致性意味著科學家可以比較幾年內同一季節的圖像，而不必太擔心陰影和照明的極端變化，這可能會產生變化的錯覺 。如果沒有太陽同步軌道，將很難跟蹤隨時間的變化 。不可能收集研究氣候變化所需的那種一致的信息 。
衛星必須經過才能保持在太陽同步軌道上的路徑非常狹窄 。如果一顆衛星的高度為100公里，它的軌道傾角必須為96度，以保持太陽同步軌道 。高度或傾角的任何偏差都會使衛星脫離太陽同步軌道 。由于大氣的阻力和來自太陽和月球的引力拉扯會改變衛星的軌道，因此需要定期調整才能將衛星保持在太陽同步軌道上 。
實現和維持軌道
發射
將衛星送入軌道所需的能量取決于發射場的位置以及軌道的高度和傾斜度 。高地球軌道上的衛星到達目的地所需的能量最多 。高度傾斜軌道（例如極地軌道）中的衛星比在赤道上繞地球運行的衛星消耗更多的能量 。低傾角的衛星可以利用地球的自轉來幫助將其送入軌道 。國際空間站的軌道傾角為51.6397度，使航天飛機和俄羅斯火箭更容易到達它 。另一方面，極軌道衛星無法從地球的動量中獲得幫助，因此需要更多的能量才能到達相同的高度 。


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低傾角軌道上的衛星可以通過在赤道附近發射從地球自轉中獲得能量提升 。歐洲航天局從法屬圭亞那的設施將衛星發射到地球靜止軌道（左） 。另一方面，高傾角衛星不會從赤道發射場獲得太多好處 。位于北緯49°的拜科努爾航天發射場（右）經常被用來將衛星發射到極地和莫爾尼亞軌道，以及向國際空間站運送宇航員和物資 。[照片?2008
ESA/CNES/ARIANESPACE/Activité Photo Optique Video CSG（左）和NASA提供（右） 。
維持軌道
一旦衛星進入軌道，通常需要一些工作才能將其保持在軌道上 。由于地球不是一個完美的球體，因此與其他地方相比，它在某些地方的引力更強 。這種不均勻性，以及來自太陽、月亮和木星（太陽系最大質量的行星）的拉力，將改變衛星軌道的傾角 。在其整個生命周期中，GOES衛星必須移動三到四次才能保持原位 。美國宇航局的低地球軌道衛星每隔一兩年調整一次傾角，以保持太陽同步軌道 。
低地球軌道上的衛星也被大氣層的阻力拉出軌道 。盡管低地球軌道上的衛星穿過大氣層最上層（最?。?，但空氣阻力仍然足夠強大，足以拉扯它們，使它們更接近地球 。然后地球的引力導致衛星加速 。隨著時間的推移，衛星最終會燃燒殆盡，因為它會以更低的速度進入大氣層，或者它會墜落到地球上 。
當太陽活躍時，大氣阻力更強 。就像氣球中的空氣在加熱時膨脹和上升一樣，當太陽向大氣層添加額外的能量時，大氣層也會上升和膨脹 。最薄的大氣層上升，其下方較厚的大氣層抬起取而代之 。現在，衛星正在穿過這個較厚的大氣層，而不是太陽不太活躍時的薄層 。由于衛星在太陽最大值時穿過密度更大的空氣，它面臨著更多的阻力 。當太陽安靜時，低地球軌道上的衛星每年必須將其軌道提升約四次，以彌補大氣阻力 。當太陽活動最大時，可能每2-3周操縱一次衛星 。
移動衛星的第三個原因是避免可能在其路徑上的太空垃圾，軌道碎片 。2月11日，美國銥星公司擁有的一顆通信衛星與一顆無法運行的俄羅斯衛星相撞 。兩顆衛星都破裂了，形成了一個包含至少2，500塊碎片的碎片場 。每塊碎片都被添加到目前地球軌道上的18，000多個人造物體的數據庫中，并由美國空間監視網絡跟蹤 。
美國宇航局的衛星任務控制員仔細跟蹤任何可能進入其衛星路徑的東西 。截至2009年5月，地球觀測衛星已分別移動三次，以避免軌道碎片 。


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數以千計的人造物體——其中95%是“太空垃圾”——占據了低地球軌道 。此圖像中的每個黑點表示一顆正在運行的衛星、一顆不活躍的衛星或一塊碎片 。雖然地球附近的空間看起來很擁擠，但每個點都比它所代表的衛星或碎片大得多，碰撞極為罕見 。（NASA插圖由軌道碎片計劃辦公室提供 。


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軌道物體集中在低地球軌道（在此圖中幾乎遮擋了地球表面）和地球靜止軌道（由沿外邊緣的衛星環顯示） 。（NASA插圖由軌道碎片計劃辦公室提供 。
銥星碰撞產生的碎片場是地球觀測系統特別關注的問題，因為碎片場的中心最終將漂移穿過EOS衛星的軌道 。銥星和俄羅斯衛星在地球上空790公里處，而EOS衛星的軌道距離為705公里 。這次碰撞產生的許多碎片被推進到較低的高度，并且已經在705公里處造成了問題 。
任務控制工程師跟蹤可能進入地球觀測系統軌道的軌道碎片和其他軌道衛星，并根據需要仔細計劃避讓機動 。同一團隊還計劃并執行機動以調整衛星的傾斜度和高度 。該團隊評估了這些計劃的演習，以確保它們不會使EOS衛星靠近編目的軌道碎片或其他衛星 。要在一次這樣的演習中窺視任務控制中心的一天，請參閱相關文章Flying Steady：Mission Control Tunes Up Aqua’s Orbit 。

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