地球同步卫星

地球同步卫星（Geosynchronous Satellite^[1]）是指运行在地球同步轨道上，^[3]运行周期与地球自转周期相同，且转动方向也相同的人造地球卫星，^[11][2]属高轨卫星。^[12][13]

1942年，美国科幻小说作者乔治·史密斯（George O. Smith）首次提出了“地球同步轨道”的概念。^[14]1945年，英国科幻小说家亚瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）对这一概念作出推广，并将其命名为“克拉克轨道”（Clarke Orbit）。^[14][7]1959年，第一颗地球同步卫星“辛康2号”（Syncom Ⅱ）被哈罗德·罗森（Harold Rosen）设计出，并由美国宇航局于1963年发射。^[13]地球同步卫星的运行轨道离地球中心大约有42164公里，距离地面大约35,786公里，其运转周期与地球自转周期相同，为一个恒星日，即23小时56分4秒。卫星在轨道上的绕行速度约为3.1公里每秒，角速度与地球自转相同。^[3][10][15]

地球同步卫星按其轨道倾角不同，可分为地球静止卫星、倾斜轨道同步卫星和极地轨道同步卫星。适于高空气象观测和全球通信，常用于通信、气象、导航以及军事情报搜集等。^[4][13]

1929年，斯洛文尼亚火箭工程师赫尔曼·波托西尼克（Herman Potočnik）描述了地球静止轨道，该轨道被称为对地静止轨道或地球同步赤道轨道。^[13]

1942年，美国科幻小说作者乔治·史密斯（George O. Smith）在其作品《Venus Equilateral》中首次提出了“地球同步轨道”的概念，但史密斯并未在作品中详细给出介绍。^[16][17]1945年，英国科幻小说家亚瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）在一篇题为《地球外的中继——卫星能给出全球范围的无线电覆盖吗？》（Extra-Terrestrial Relays– Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?）的作品中针对“地球同步轨道”这一概念做了进一步推广，并在《无线世界》（Wireless world）杂志上发表。^[18]克拉克最初将其描述为“对广播和中继通信卫星有用的轨道”，并将其命名为“克拉克轨道”（Clarke Orbit）。同样，在此轨道上运行的人造天体集合被称为“克拉克带”（Clarke Belt）。^[19][14]

1959年，第一颗地球同步卫星“同步通信2号”（Syncom Ⅱ）由休斯飞机公司的哈罗德·罗森（Harold Rosen）在工作时设计而出。^[7]1961年，罗森和他的团队一同制造出了一个直径76厘米，高38厘米，重11.3千克的圆柱体卫星原型。^[18]

1963年7月26日，美国国家航空宇航局发射了“辛康2号”（Syncom Ⅱ）同步通信卫星，在非洲、欧洲和美国之间进行电话、电报、传真通信。^[7]由于这颗卫星有30度倾角，因此它的运行轨道相对于地面作8字形移动。1964年8月19日，美国发射了“同步3号”（Syncom Ⅲ）卫星。这是世界上第一颗地球同步静止轨道通信卫星。^[20]

1965年的4月6日，国际卫星通信组织（INTERSAT）发射了一颗半试验、半实用的静止通信卫星——“晨鸟”（Early Bird），^[21]又称为“国际通信卫星-Ⅰ（Intelsat 1）”，作为世界上第一颗实用型商业通信卫星，它为北美和欧洲之间提供通信服务，开创了卫星商用通信的新时代。“晨鸟”标志着卫星通信从试验阶段转入实用阶段，同步卫星通信时代的开始。^[20]

1974年4月13日，由西联汇款公司和NASA共同发射美国国内第一颗商业地球同步通信卫星：亚洲一号（Westar 1），美国借此美国组建了由3颗卫星（一颗备用）构成的国内通信卫星系统，把电报、电话、电视和数据传输到美国本土的各个地区。^[13]中国于1984年4月8日、1986年2月1日和1988年3月7日分别发射3颗用于通信广播的地球同步卫星。^[4]其中，1984年4月8日，中国长征3号运载火箭成功地发射了首枚地球同步卫星一东方红2号试验通信卫星。1997年5月12日，用“长征3号甲”运载火箭将“东方红3号”同步通信卫星送入预定轨道，并定点在东经105°赤道上空。1997年6月10日用“长征3号”运载火箭将“风云2号”同步气象卫星送入轨道。^[2]

截止到1997年底，仅亚太地区就有98颗地球同步卫星（载有2003个转发器）向该地区提供服务，1998年发射了15颗同样类型的卫星。^[22]

2016年11月19日，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）最新的地球同步气象卫星GOES-16发射成功。^[13]12月11日，中国静止轨道气象卫星“风云四号”01星成功发射。^[23]2018年至2020年间，中国先后发射成功北斗三号首颗地球静止轨道（GEO）卫星及北斗三号GEO-2、GEO-3卫星。截至2018年，共有446颗地球同步通信卫星，围绕地球运行。^[24][25][26]

地球同步卫星是运行在地球同步轨道上的卫星，^[3]地球同步轨道（Geosynchronous Orbit，即GSO）是一个以地球为中心，且轨道周期和地球绕定轴自转周期（23 h 56 min 4 s）相一致的轨道。绕地运动的轨道周期同步意味着，对于一个在地表的观测者而言，地球同步轨道上的一个物体经过一个恒星日后，会回到天空中完全相同的位置。在一天的时间内，物体在空中一般为保持静止，或以“8”字形的路径运行，其精确特性取决于轨道的偏心率和轨道倾角。圆形地球同步轨道具有恒定的高度——即轨道和地表距离为35786千米（22236英里），并且所有的地球同步轨道共用同一长度的半长轴。^[7]

所有地球同步轨道的轨道周期恰好等于一个恒星日。这意味着无论其他轨道特性如何，卫星都将（每天）返回到地球表面上方的同一点。^[7]

地球静止轨道卫星在任何时刻都处于地面上同一地点的上方，地面观察者看到卫星始终位于某一位置，静止不动。其星下点轨迹是一个点。一般情况下，卫星轨道具有一定的轨道倾角和偏心率，这就造成了星下点轨迹为一个扭曲的“8”字形，且每个恒星日返回到相同的位置一次。^[7]

人造地球卫星由运载火箭发射入轨，从发射点到入轨点的飞行轨迹叫发射轨道。发射轨道包括垂直起飞段、程序转弯段和入轨段。垂直起飞段和程序转弯段都大同小异，但入轨段根据轨道高度的不同有直接入轨、滑行入轨和过渡转移入轨之分。低轨道卫星一般直接入轨，中、高轨道卫星常常滑行入轨；同步卫星常常采用过渡转移轨道入轨，它因火箭的级数不同而有差异，对于三级火箭来说，其发射过程大致可分为三个阶段。^[2]

第一阶段是垂直起飞，转弯飞行，进入停候轨道阶段。由于地球表面附近大气稠密，火箭飞行时受到的阻力很大，为尽快离开大气层，通常采用垂直向上发射，容易保证飞行的稳定。发射后经很短几分钟加速火箭已达到相当大的速度，至第一级火箭脱离时，火箭已处于稠密大气层之外。其次，要进入卫星轨道，除要加速到足够大的速度外，速度方向也需要基本上平行于当地地球表面，需在进入停候轨道前使速度矢量转90°，在主动段上改变速度需要分用一部分发动机推力而消耗推进剂。^[2]

火箭的速度越大，转弯越难，就要消耗更多的能量。因而在起飞后不久，当速度还不很大时，尽快转弯，这样可以节省能量。综合考虑多方面的因素选择先进入100~200 km高的停候轨道的做法是最适宜的。此后第二级火箭点火继续加速，直至其脱离。当第二级火箭脱离后，卫星连同第三级火箭一并进入停候轨道，成为地球卫星。这意味着它已经具有约7.90 km/s的第一宇宙速度，并运行在离地面约100~200 km的近地圆轨道上。^[2]

第二阶段是椭圆转移轨道阶段。在停候轨道上运行少许时间后，火箭再次点火，发动第三级，使装有远地点发动机的卫星进入一个大椭圆的转移轨道，此椭圆的远地点和近地点都在赤道平面上，并且远地点与同步轨道相交。当卫星连同第三级火箭运行至某一预计点时，火箭再次点火加速，达到预计速度后熄火（椭圆轨道近地点），然后卫星靠本身的惯性在球体引力作用下沿一条椭圆轨道飞行。用以过渡的这条椭圆轨道的远地点必须在赤道上空离地高度为358000 km处。^[2]

第三阶段是卫星上的远地点发动机点火，卫星入轨。在椭圆转移轨道的远地点上，地面测控站发出指令，点燃装在卫星上的发动机，按计算好的方向适当加速，改变轨道平面，卫星进入同步圆轨道。如果发射场在赤道上，便可在赤道上空358000 km的远地点处点燃远地点发动机，在轨道平面内水平方向适当加速，使卫星速度等于同步轨道速度，卫星正式入轨。入轨后的地球同步卫星利用推进器和反作用力相对于地球静止于太空中。这些设备可以让卫星根据需要对其位置进行微调，以保持其轨道与地球自转速度相同。^[27][2]

地球同步卫星按其轨道倾角的不同可分为地球静止卫星、倾斜轨道同步卫星和极地轨道同步卫星。^[19][4]

种类	简介	应用实例	图示
地球静止卫星（Geostationary Satellite）	同步轨道卫星轨道面的倾角为零度，卫星运行轨道与地球赤道在同一平面内时，由于运行方向与地球自转方向相同，运行周期又与地球同步，站在地球上观察卫星，仿佛悬挂在太空静止不动，所以，把0°倾角的同步轨道称作静止轨道，在静止轨道上运行的卫星称作静止卫星 静止卫星上的天线所辐射的电波，对地球的覆盖区域基本是稳定的。在这个覆盖区内，任何地球站之间可以实现23.56小时不间断通信。因此，同步轨道静止卫星主要用于陆地固定通信，如电视节目转播、海上移动通信等[4]	美国的 GOES（对地静止运行环境卫星）系列、印度的 INSAT 卫星、日本的 Himawari、欧洲的 Meteostat 和中国的风云等[10]
倾斜轨道同步卫星和极地轨道同步卫星	倾斜轨道和极地轨道同步卫星从地球上看是移动的，但却每天可以经过特定的地区，因此通常用于科研、气象或军事情报的搜集，以及两极地区和高纬度地区的通信[4]	俄罗斯Raduga 29、印度Astra 1C、马来西亚MEASAT 2等[10]

地球同步卫星通常用于各种目的，例如与航天器（如哈勃太空望远镜和航天飞机）来回通信、语音通信、互联网、广播有线电视和无线电信号以及天气预报。除了气象卫星外，一个突出的应用就是通过地球同步轨道上的4颗跟踪和数据中继卫星系统高速率地传送中低轨道地球观测卫星或航天飞机所获取的地球资源与环境遥感数据。^[4][10]

卫星通信是借助地球同步卫星来弥补微波在地面传播的不足。用同步通信卫星做中继站，可以使它转发的微波天线电信号跨越大陆和海洋达到地球上的很大范围，很多电视节目都是通过卫星传送的。通信卫星大多是相对地球“静止”的同步卫星，在地球周围均匀配置三颗通信卫星就可以实现全球通信。高空卫星用于长途和移动电话通信以及互联网连接。例如，宽带全球区域网络使用地球同步卫星进行全球移动通信。^[27]

地球同步卫星通常用于广播电视和广播节目。电视信号可以从地球赤道上方固定位置的卫星直接传送到观众所在的位置。由于它们的高海拔，重传的信号可以被地球表面的大片区域接收到。^[27]

一个全球性的地球静止气象卫星网络可收集地球表面和大气的可见光和红外图像，用于天气观测、海洋学和大气跟踪。地球同步卫星图像已被用于跟踪火山灰、测量云顶温度和水蒸气、海洋学、测量陆地温度和植被覆盖、简化气旋路径预测和提供实时云覆盖数据。一些信息已被组合到气象预报模型中，但由于其视场宽、全时监测和分辨率较低，主要用于短期和实时预报。^[13]

地球同步气象卫星提供有关天气模式和风暴系统的实时信息。例如，地球静止运行环境卫星（GOES）系列是美国国家航空航天局和国家海洋和大气管理局（NOAA）共同提供当地天气警报的项目。国家气象局是NOAA的一部分，使用GOES-18捕捉大气测量和闪电活动的实时地图，并监测空间天气。另一个例子是欧洲航天局的气象卫星系列。^[27]

地球同步卫星配备了传感器来收集数据和监测地球表面的事件。例如，它们被用来研究短期的海洋和海岸现象，如海洋和洋流之间的跨大陆架交换。也可以用来监测火灾。自动生物质燃烧算法（ABBA）是在20世纪90年代使用地球同步运行环境卫星GOES-7和GOES-8数据创建的，它在南美广泛用于监测火灾情况。地球同步卫星可提供火灾位置和特征、火灾辐射功率、火灾规模和火灾温度等。^[13][27]

地球同步卫星也被用来通过传送时钟、星历和电离层误差修正来增强导航系统，这些误差修正是从已知位置的地面站计算出来的，并提供额外的参考信号。^[13]全球定位系统和其他导航系统使用地球同步卫星数据来提高自身的精度，使用高空卫星为GPS接收器提供一个已知的校准点。^[27]

例如中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，简称“BDS”）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。^[28]

截至2017年，北斗卫星导航系统由空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。可用于个人位置导航、行车记录导航、沙漠/山区/海洋等人烟稀少地区的搜索救援等，军队可利用“北斗”卫星导航定位系统执行部队指挥与管制及战场管理。^[28]

卫星举例发射国家发射时间用途图片示意地球同步气象卫星GOES-16美国2016年11月19日2017年底投入使用，提供地球西半球的连续图像和大气测量、总闪电数据和空间天气监测，以提供关键的大气、水文、海洋、气候、太阳和空间数据。可以多任务处理。该卫星每15分钟扫描一次西半球，每5分钟扫描一次美国大陆，每30-60秒扫描一次恶劣天气地区该卫星上的地球同步闪电成像仪（GLM）是第一个从地球同步轨道飞行的可操作闪电成像仪^[29]风云四号中国2016年12月11日用于台风、强对流天气以及森林草原火灾等灾害和环境监测^[23][30]北斗三号地球静止轨道（GEO）卫星中国2018年11月1日除具备传统导航卫星的功能外，还拓展了多项新功能，包括精密单点定位、卫星导航服务星基增强、大容量短报文通信、面向民航用户的星基增强（SBAS）服务等^[24]

地球同步卫星的主要优点是：

可靠性。这些卫星以其可预测的性能而闻名。^[27]各种服务。它们可以在指定区域内支持语音、数据和视频服务。^[27]易用性。地球同步卫星可以使用定向天线，通常是一个小碟形天线，瞄准天空中卫星似乎盘旋的地方。这些地面定向天线可以瞄准，不需要进一步调整就可以留在原位。^[27]最小的干扰。由于可以使用高度定向的天线，来自地面源和其他卫星的干扰被最小化。它们还能获得高时间分辨率的数据，并简化卫星地面站对卫星的跟踪。^[13][27]导航功能。地球同步卫星系统可以使用全球定位系统（GPS）技术非常精确地跟踪地面上的物体，是导航目的的理想选择。全球成像。同步卫星可提供来自太空的实时图像，对监测全球气候模式和其他环境变化非常有用。^[27]寿命长。与其他轨道结构相比，地球同步卫星系统具有较长的寿命。它们在需要更换之前可以运行长达15年，而其他轨道设备的寿命为5年或更短。^[27]

延迟。电磁信号往返于地球同步卫星之间的距离至少为44，600英里，这至少增加了240毫秒的延迟。这种延迟对于需要低延迟的服务来说是一个问题，比如长距离语音和视频会议。出于这个原因，地球同步卫星最适合于时间延迟不成问题的应用，例如直接电视服务和互联网数据服务。^[27]成本太高。与其他卫星相比，地球同步卫星发射到轨道上的成本更高，因为它们的高海拔在起飞时需要更多的燃料和能量。距离也会使它们在使用寿命期间的维护成本更高。^[27]覆盖有限。地球同步卫星只能覆盖地球表面的有限区域。为了将覆盖范围扩大到该区域以外，必须增加其他卫星。^[27]修理或更换困难。由于地球同步轨道离地球太远，卫星很难修复或更换。^[27]