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原因未明,同步卫星的轨道

发布时间:2019-08-22 04:42编辑:科学浏览(166)

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    《物理》第三册第96面关于通信卫星轨道的叙述中有这样一段话:“通信卫星的轨道一般都采用‘地球静止轨道’,也称‘地球同步轨道’.即卫星转动的周期与地球自转的周期相同,相对于地球静止.”这段话容易让人理解为:地球同步轨道就是地球静止轨道.处于同步轨道上的卫星相对于地球是静止的.

    近二十多年来,随着火箭技术,卫星技术和通信技术的逐步成熟和完善,卫星通信步入了专业化的发展方向,出现了诸如专门探测地矿地质的资源卫星,获取气象信息的气象卫星,提供定位基准的导航卫星,以及专门用于传送电视和电话的通信卫星等。 一、卫星通信的概念 在人们之间构建起通信必须有三个基本条件,即:终端、交换和传输。所谓“终端”是指电话机、传真机、微机等通信设备,它们是用户发送和接收话音、图像、文字、数据等信息的工具,由于这些设备都安装在通信链路的末端(一般都安装在用户家里),所以统称为终端设备;所谓“交换”是指电信运营商把来自五湖四海和去到四面八方的信息利用安装在市内电话局和长途电话局内的交换机有序地进行编组,然后送到用户指定的地点。为什么要用交换机呢?这里边有着经济和效益问题,本来两个人之间用一对电话线连接起来便可通话了,但是,要在多人之间相互进行通信,再用这种办法就十分不方便了,如图1所示, 图1 人数与专线对数的关系

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    全球着名卫星运营商——国际通信卫星组织Intelsat,最近公布一段太空监测视频:旗下一颗地球静止轨道卫星Intelsat 29e,4月7日突然出现推进剂泄漏,次日4月8日卫星解体,造成诸多太空碎片。

    金莎娱乐,有的复习资料中亦有这样的练习题:“简单说明地球同步卫星为什么只能在赤道平面内绕地球旋转.”、“地球同步卫星相对于地球上的一点为什么是静止的?”,这也是将地球同步轨道与地球静止轨道混为一谈.

    2个人之间只需1对线,6个人之间则要到15对线,8个人又增加到28对线,余此类推,用排列组合法可以计算出任意人数所需的专线对数,试想,全世界有四十多亿人口,即使按10%的人口装专线计算,所需专线也是个天文数字。因此,用架设专线的办法是不经济的,也是不现实的,最行之有效的办法就是通过集中交换来实现;所谓传输是指利用电信运营商提供的某种媒体把经过交换后的信息集中起来从此处传送到彼处。利用媒体传输信息有近有远,市内电话只需通过市话线路传输,长途电话则要通过长途线路传输。传输的媒体有有线和无线之分,有线传输的媒体是看得见摸得着的实体,如架设在电线杆上的明线,还有电缆和光缆等;无线传输的媒体是看不见摸不着的无线电波,如果按电波的波长划分,有特高频、短波和微波等。通常我们把××载体作为传输媒体的方式就称为××通信,例如,以光缆为传输媒体的方式称为光缆通信,以微波为传输媒体的方式称为微波通信。卫星通信也是以微波作为传输媒体,不过,它是以太空中的人造地球卫星作为接力站的微波通信。 1957年10月4日,苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星,使人们真正看到了实现卫星通信的希望。 1960年8月美国宇航局把涂覆有铝膜的直径为30m的气球“回声1号”发射到1600km的高空作为人造无源中继器,进行了电话电视传送,这是世界上首次进行的无源人造卫星通信试验。 1960年10月美国把“信使1B”人造地球卫星发射到1000km高空,该卫星上安装有高速磁带录音装置,可接收来自地球的信息,当卫星再次接近地球时打开发射机,将录音发回地球,这是世界上首次进行的有源人造卫星通信试验。 随后,美国和日本又发射了数颗卫星,进行宽带调频电视、多路电话、低噪声放大和精确跟踪等试验,取得了许多有益的数据,但是,这些卫星都属于低椭圆轨道卫星,不仅可通信时间较短,而且,通信时间随卫星远近地球的周期性变化而变化。 1963年2月和7月美国发射了“Syncom”号和“同步2号”卫星,分别进行宽带压缩等试验, 1964年8月美国又发射了“同步3号”卫星,成功转播了东京奥委会的实况,但以上这些卫星通信都属试验性质。 1965年4月美国发射了“晨鸟”号同步卫星,真正意义上的同步卫星通信由此开始进入实用化的时代 。 二、同步轨道卫星通信 所谓同步卫星通信就是利用在地球同步轨道上的卫星作为接力站来转发无线电波而进行的两个或多个地球站之间的通信。同步轨道卫星是指卫星在离地球约36000km的太空,与地球自转相同的方向运行,运行周期为一个恒星日,即与地球自转一周的时间相同,等于24小时。卫星在这个高度运行的轨道叫做同步轨道。当同步轨道的平面与地球赤道平面的夹角为零,也就是说卫星沿赤道平面运行时,从地球上看卫星仿佛静止不动,这个轨道称作静止轨道或赤道轨道,静止轨道上的卫星称静止卫星。静止卫星主要用作电话或电视传送,以确保传输的稳定性。如果同步轨道的平面与地球赤道有一定夹角,就称倾斜轨道,当夹角为90°时,就称极轨道。倾斜轨道卫星从地球上看是移动的,但却每天可以定时扫描所经过的地区,因此,通常用于科研。 当卫星的离地的高度高于或低于36000km时,其运行轨道统称为非同步轨道。低轨道卫星(距地面1000~5000kn)绕地球运行一周所需时间短,一般为2~4小时;中高度卫星(距地面5000~20000km),运行周期4~12小时。高于36000km的卫星,其运行周期都超过24小时。非同步轨道卫星通常用于移动通信。 同步卫星通信作为越洋国际通信的主要手段,已经历了30多年的发展历程,从第一代发展到了今天的第八代,目前,世界各国共有300多颗同步卫星在360°的静止轨道上运行,承担着电话、电视、传真、数据、广播等通信。需要指出的是轨道卫星不是可以任意布放的,轨道位置是一项有限资源,必须统一协调使用,试想,如果在360°的赤道轨道上布放120颗卫星,那么卫星之间的间隔便是3°;如果布放360颗卫星,那么卫星之间的间隔只有1°了,这表明,在36000km高的静止轨道上,两星间的距离仅有700多公里。卫星间隔过小,无论是地球站对相邻卫星还是相邻卫星对地球站,都难以避免相互间的干扰。但根据国际电联的规定,世界上不分国家大小都有权享用轨道位置,因此,利用卫星进行通信必须要有国际协调。 三、通信卫星上的设备系统 通信卫星是高科技产品,由于是在太空中运行,因此,对其要求是结构简单、重量轻、形体小,并且耐高温、低温、辐射。 卫星内部由通信、遥测、控制、跟踪、电源等主要系统组成。但是,随着通信卫星的升级换代,功能和容量的增加,其结构并非完全一致。 1、通信系统 通信系统是通信卫星的有效荷载,也是通信卫星的核心,它包括转发器和天线两部分。 转发器的主要功能就是对接收到的信号和发回地球站的信号进行变频和放大。 2、遥测系统 遥测系统有两个主要功能,一是接收地面指令,对星上设备的工作状态、工作环境以及卫星和天线姿态、轨道位置等进行遥测;二是对地面的指令逐一进行回答,报告测试数据和位置、姿态等。 各种遥测信号都按规定的编码方式排列。遥测过程是:星上的遥测指令天线收到地面的遥测指令后,首先进行解码,一方面启动感知器,一方面送往控制系统。然后,表示卫星设备工作状态、工作环境的数据以及由感知器获得的有关天线姿态、轨道位置等数据,在变换成电信号并经编码器统一编码后,通过天线再发回地球。 3、控制系统 控制系统是地球站发往卫星的指令执行机构。同步轨道卫星必须对地球或其它基准物保持准确的位置,例如,通信天线必须对准地球,太阳能电池必须面向太阳,同步轨道卫星的运行周期必须与地球自转同步,在赤道上空的位置必须保持在规定的范围内,设备出现故障必须倒向备用,等等。 轨道位置一旦发生变化或设备出现故障,卫星上的指令执行机构必须根据地面的指令迅速启动进行调整或倒向备份。 4、电源系统 通信卫星上的电源靠电池供给,电池有两种,一种是太阳能电池,它是通信卫星的主用电池,当卫星进入光照区时,由太阳能电池供电, 因此,在出现地星蚀或月星蚀的情况时便不能使用,此时改由备用蓄电池供电;蓄电池是化学电池,作为通信卫星的备用电池使用,在平时由太阳能电池浮充,发生地星蚀或月星蚀时供电。 四、地球站设备系统 地球站是向通信卫星发送和接收无线电波的设施. 是电视信号则进入电视复用设备,最后,通过进城中继设备送到长途电话局和节目交换中心,最后再到用户。 五、非同步轨道卫星通信 前已指出,同步轨道卫星通信存在时延过大和高纬度地区无法通信的缺点,采用非同步轨道卫星通信方式则能较好地解决这些问题。非同步轨道卫星主要有椭圆轨道卫星和中、低圆轨道卫星。 1、椭圆轨道卫星通信 2、中、低轨道卫星通信 所谓中、低轨道卫星通信是指轨道上的卫星相对于同步轨道卫星来说,距离地球的高度较低。对中、低轨道卫星的轨道选择余量和机动性较大,不像同步轨道卫星那样只能限制在同步轨道上,因此,中、低轨道卫星的轨道既有圆形的,也有椭圆的;既有60多度的高倾角轨道,也有接近90度的极轨道。与同步轨道卫星通信不同的是,中、低轨道卫星通信,通常由一个所谓“星座”来构成卫星系统,星座的形式有网状的或星状的,每个星座有数个轨道组成,每个轨道又有数颗卫星,地球的外围被整个星座的卫星包裹了起来,或者说把地球覆盖了起来。中、低轨道卫星主要用于移动通信。

    印度上月底发射了一颗导弹,摧毁了轨道上一颗废弃卫星,产生了400多个碎片,对太空运行的国际空间站造成了一定威胁,受到各方谴责。不过,并不是只有反卫星导弹才会摧毁卫星,产生碎片,一些正常运行的卫星,有时也会遭遇无妄之灾,变成太空垃圾,有时甚至无法查明原因,没有可靠的解释。

    难得一见的监测视频

    实际上,地球同步轨道与地球静止轨道不是一回事,它们之间有共同点也有较大区别.

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    视频中心的亮点就是29e卫星,星条背景则是深空恒星。

    地球同步轨道与地球静止轨道都是运行周期(23小时56分04秒)相同的人造地球卫星轨道.

    最近,一颗三年前由波音公司制造的通信卫星Intelsat 29e,就在地球静止轨道上被发现推进剂泄露,发生了翻滚漂移,并莫名其妙崩飞出一些碎片。这是继2017年4颗卫星出现类似意外故障后,再次发生了不明原因的卫星损坏事件。

    因为该卫星远在3.6万公里外,所以卫星运营商Intelsat调用了全球300架地面望远镜组成临时观测网络,全天24小时追踪,至少两架望远镜进行实时追踪。

    这两种轨道的区别有三:

    金莎娱乐 4Intelsat 29e卫星2016年由欧洲阿丽亚娜5号火箭发射升空,设计寿命15年。然而4月7日,一家通过地面光学望远镜专业追踪太空物体的商业公司ExoAnalytic Solutions发现,这颗卫星突然发生推进剂泄露,并开始翻滚起来,紧接着几块碎片从卫星上脱落,最大的尺寸将近1米。与此同时,卫星所属公司与卫星的通信也中断了,后来虽然恢复,但时断时续,已无法正常工作。" style="width:60%;margin:1rem auto">

    Intelsat 29e 有啥身世?

    第一,轨道倾角有区别.

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    地球静止轨道是轨道倾角(轨道平面和赤道平面的夹角)为零的圆形地球同步轨道.即地球静止轨道一定在赤道平面上;而地球同步轨道平面可与赤道平面成一不为零的夹角.

    {"type":1,"value":"目前各方正在查找卫星发生故障的原因,一些人认为卫星可能与微流星或太空垃圾发生了碰撞,但具体原因尚无法查明。

    这颗卫星归属国际通信卫星组织,属于一颗高通量地球静止轨道卫星,主要为北美、拉丁美洲提供通信服务。

    第二,观察者看到的现象不同.

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    2012年设计研制时,号称Intelsat推出的世界最先进商用通信卫星EpicNG首颗卫星。

    在地球同步轨道上运行的卫星每天在相同时间经过相同地方的天空,对地面上观察者来说,每天相同时刻卫星会出现在相同的方向上.在一段连续的时间内,卫星相对于观察者可以是运动的.而处于地球静止轨道上运行的卫星每天任何时刻都处于相同地方的上空,地面观察者看到卫星始终位于某一位置,保持静止不动.

    无独有偶的是,在2017年,四颗通信卫星AMC-9、Telkom-1、EchoStar-3、NSS-806也发生了意外故障,其中前两颗同样出现了迄今无法解释的碎片,不过这些卫星都是服役十多年的老卫星,而Intelsat 29e则是升空不久的新卫星。

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    第三,星下点轨迹不同.

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    2016年1月27日发射,2019年4月7日出现故障,服务中断。

    人造地球卫星在地面的投影点(或卫星和地心连线与地面的交点)称为星下点.卫星运动和地球自转使星下点在地球表现移动,形成星下点轨迹.地球同步卫星的星下点轨迹是一条8字形的封闭曲线,而地球静止卫星的星下点轨迹是一个点.

    虽然卫星故障的原因目前还无法查明,但如果真的是和太空垃圾相撞的话,细思起来就太恐怖了!两年多就发生了3起,说明地球轨道现在对航天器来说已经太危险了,未来载人登陆月球和火星的任务将更加凶险。一旦太空垃圾彻底包围地球,人类文明冲出地球,成为星际文明的梦想或许就将破灭,至少会被迟滞或带来更多不确定的风险,希望所有国家都能克制自己,和平利用地球以外的空间,尤其是那些摩拳擦掌要组建太空军的。

    不幸的是,这是第二颗故障卫星,前一颗同类卫星33e,同样是推进器出现问题。

    鉴于上述原因,笔者认为将高中《物理》第三册第96面上的那句话“也称‘地球同步轨道’”改成“是‘地球同步轨道’的一种”更好。

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    这两颗卫星的制造商都是波音公司。

    要知道,波音为Intelsat制造了5颗,该系列总共只有6颗卫星。

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    Intelsat 29e重达6.5吨,比最近SpaceX重鹰发射的沙特卫星Arabsat 6A还要重。即使不打开太阳能翅膀,体积也跟黄皮校车差不多。基于BSS-702MP平台设计制造,可以说是出自波音最先进卫星平台之手。

    更厉害的是,该卫星采用四氧化氮、四氧化二氮双推进剂推进系统,原本以为是更尖端、更稳定、更保险,但事与愿违,这次致命一击恰恰就出现在推进系统,推进剂泄漏。

    Intelsat会同波音公司正在调查、分析、查明,最终事故原因有待进一步查清。

    这种卫星常出事?

    因为地球静止轨道卫星远在3.6万公里开外,无法维修,所以这种卫星设计寿命都很长,通常15年以上,采用工程技术、应用材料等都是最好最严格的,当然也是最贵的。

    不过即便这样,也无法保证万无一失。最近两年,地球静止轨道上出现过一系列卫星问题:AMC-9、telcom -1、AMOS-5、Eutelsat-33B、EchoStar-3和Galaxy 11等,全都出现过轨道异常或者运行故障。

    为啥远在3.6万公里外?

    因为这是一颗地球静止轨道卫星,运行轨道就在那儿,就得那么远。

    金莎娱乐 11地球静止轨道卫星" style="width:60%;margin:1rem auto">

    {"type":1,"value":"所谓地球静止轨道卫星,英语Geostationary Earth Orbit,一般缩写成GEO,运行在地球赤道面上方大约3.6万公里的圆形轨道空间。

    这种卫星是一种固定在地球上空某个位置的卫星,这种卫星的好处就是卫星地面站的天线只要对准卫星的定点位置就可以通讯了,而不用实时转动天线,通信效果、效率自然更好。因此成为电话、电视、广播、互联网、军事等青睐有加的通信卫星。

    金莎娱乐 12地球静止轨道卫星与地球同步轨道卫星一样吗?" style="width:60%;margin:1rem auto">

    {"type":1,"value":"简单来说,地球同步轨道卫星(Geosynchronous orbit,缩写为GSO)包括地球静止轨道卫星(Geostationary orbit,缩写为GEO)。换句话说,地球静止轨道卫星只是地球同步轨道卫星一个特例。

    地球同步轨道卫星分为三类:地球静止轨道卫星、倾斜轨道同步卫星、极地轨道同步卫星。

    两者区别主要有三点——

    轨道倾角有区别:地球同步轨道不一定在赤道面上方,即地球同步轨道平面与赤道平面夹角不一定为0;而地球静止轨道的轨道倾角(轨道平面与赤道平面的夹角)为0,因此地球静止轨道卫星也叫地球赤道同步轨道卫星。

    地球观察者看来不同:地球同步轨道卫星每天都会在同一时间通过地球上的同一个点,所以卫星是移动的;而地球静止轨道卫星每天任何时刻都处于相同地方的上空,地面观察者看到卫星始终位于某一位置,保持静止不动。

    星下点轨迹不同:即人造地球卫星在地面的投影点不同,地球同步卫星的星下点轨迹是一条8字形的封闭曲线,因卫星运动、地球自转使得星下点在地球的投影是移动的;而地球静止轨道卫星的星下点轨迹则是一个点。

    对于地球同步轨道卫星,1961年NASA开始启动Syncom计划,1963年部署第一颗地球同步轨道卫星Syncom-2。

    对于地球静止轨道卫星,早在1945年,科幻大神亚瑟·克拉克就曾设想过,1964年美国部署了第一颗地球静止轨道卫星Syncom-3(一直用到2012年底),从此以后卫星电视普遍采用这种卫星。

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    截至2018年11月,UCS卫星数据库显示:在轨运行人造卫星总计1957颗,其中GEO地球静止轨道卫星558颗,LEO低地球轨道卫星1232颗(400~2000公里),MEO中地球轨道126颗(2000~36000公里)。

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