地球的自轉軸與地球公轉平面并不垂直，因此，黃道面和地球赤道面并不重合，而是有大約23.4°的夾角，通常被稱為黃赤交角，也稱為轉軸傾角、傾角（obliquity）或軸交角（axial inclination），

1. 地球自轉

由于地球并非完美的球體，所以并不能用一個值來表達地球的實際半徑。但由于地球的形狀很接近球體，用6,357km到6,378km(≈3,950 - 3,963英里)的范圍值可以涵蓋需要的所有半徑。從數種把地球當做球體的建模方法都可以得到一個較方便的平均半徑，這個值為6371km(≈3,958.7613英里)。

地球自轉是固體的地球繞著自己的軸轉動，方向是由西向東。從天球的北極點鳥瞰，地球自轉是逆時針旋轉；從南極點上空看是順時針旋轉。 所以地球是由西至東自轉的。

1.1 真正周期

地球自轉的周期是一個恒星日，目前其值為23時56分4秒。但是近年來地球自轉周期在緩慢增加（即轉速緩慢減小），導致需要對全球計時器進行調整，例如2005年12月31日全球鐘表統一加一秒。這樣的調整稱為閏秒。

1.2 轉動速度

地球自轉的角速度大約是每小時15度；而表面每點的線速度隨緯度而變化，是赤道的線速度乘以緯度的余弦。因此赤道的線速度是最大的，兩極的線速度最小，而赤道線的速度約465.1 m/s。

2. 地球公轉

地球環繞太陽的運動稱為地球公轉。因為同地球一起環繞太陽的還有太陽系的其他天體，太陽是它們共有的中心天體，故被稱為“公”轉。方向是自西向東，從北天極看呈逆時針，從南天極看呈順時針。周期為1個恒星年，需時365日6時9分10秒。軌道是近似正圓的橢圓，太陽位于其中一個焦點上。

2.1 軌道

地球在公轉中所形成的封閉軌跡，稱為地球軌道。其在天球上的投影，稱為黃道。
地球軌道所在的平面稱為地球的軌道面，也稱為黃道面。

2.2 參數

地球軌道是一個橢圓，太陽位于其中的一個焦點上，具體參數如下：

半長軸：149,600,000公里
半短軸：149,580,000公里
半焦距：2,500,000公里
周長：940,000,000公里
偏心率：0.0167
扁率：1:7000

2.3 近日點和遠日點

在地球的公轉軌道上，有一點距離太陽最近，稱為近日點，有一點離太陽最遠，稱為遠日點。如：1982年，地球經過近日點的時間是1月4日19時，經過遠日點的時間是7月4日22時。由于近點年比回歸年長25分7秒，所以地球經過近日點和遠日點的日期，每57年要推遲一日。

中距點：即軌道橢圓短軸的兩端。如：1982年4月3日和10月5日時地球經過中距點。

2.4 公轉速度

平均角速度是每年360度，即每日59分。平均線速度為每年940,000,000公里，即約每秒29.79公里。即時角速度和即時線速度變化，在能量守恒的前提下，離太陽越近，位能越小，動能則越大，即時線速度和即時角速度就越大。在角動量守恒的前提下，即在相等長度的時間內，地球、太陽連線所掃過的面積是固定值。

定義方向周期角速度線速度

自轉	繞自轉軸的旋轉運動	自西向東	1恒星日23小時56分4秒	除南、北兩極外，角速度大小一致，15°/天 從赤道向兩極遞減、南北兩極為0
公轉	繞太陽的運動	自西向東	1恒星年365日6時9分10秒	平均1°/天 平均30千米/秒，近日點較快，遠日點較慢

3. 月球的運動

3.1 月球公轉

月球以橢圓軌道繞地球運轉。這個軌道平面在天球上截得的大圓稱“白道”。白道平面不重合于天赤道，也不平行于黃道面，而且空間位置不斷變化。周期27.32日。月球軌道（白道）對地球軌道（黃道）的平均傾角為5°09′。但是已知月球平均每年以3.8cm的速度逐漸與地球離去。

3.2 月球自轉

月球在繞地球公轉的同時進行自轉，周期27.32166日，正好是一個恒星月，所以我們看不見月球背面。這種現象我們稱“同步自轉”，或“潮汐鎖定”，幾乎是太陽系衛星世界的普遍規律。一般認為是衛星對行星長期潮汐作用的結果。天平動是一個很奇妙的現象，它使得我們得以看到59%的月面。主要有以下原因：
（1）在橢圓軌道的不同部分，自轉速度與公轉角速度不匹配。
（2）白道與赤道的交角。
月球每小時相對背景星空移動半度，即與月面的視直徑相若。與其他衛星不同，月球的軌道平面較接近黃道面，而不是在地球的赤道面附近。相對于背景星空，月球圍繞地球運行（月球公轉）一周所需時間稱為一個恒星月；而新月與下一個新月（或兩個相同月相之間）所需的時間稱為一個朔望月。朔望月較恒星月長是因為地球在月球運行期間，本身也在繞日的軌道上前進了一段距離。

4. 地球同步軌道

地球同步軌道（英語：Geosynchronous orbit，GSO），衛星的軌道周期等于地球的自轉周期，且方向亦與之一致，見同步軌道。若軌道平面與地球赤道平面重合，即衛星與地面的位置相對保持不變，則稱為地球靜止軌道。

實現地球同步軌道，需滿足下列條件：

• 衛星運行方向與地球自轉方向相同；
• 軌道偏心率為0，即軌道是圓形的；
• 軌道周期等于地球自轉周期為1恒星日(23小時56分4秒)，靜止衛星的高度為35786公里。

通訊衛星常使用于這種軌道，但導航衛星則否。

4.1 地球同步軌道高度的推導

5. 地球靜止軌道

地球靜止軌道（或稱地球赤道同步軌道，英語：geostationary orbit，簡寫：GEO）是指地球赤道面上方35,786km的圓形軌道，該軌道上航天器的運行方向和地球自轉方向一致。在地球靜止軌道上的航天器繞地球運行一周的時間和地球自轉周期（一恒星日）相同，因此，在地面觀測者看來，這樣的航天器是在天空固定不動的。通信衛星和氣象衛星一般運行在靜止軌道，因此地面站天線只要對準衛星的定點位置就可以通訊，而不用轉動天線。利用這個特點，把攜帶有可見光和近紅外光傳感器的海洋衛星發射到靜止軌道上，這樣就可以監測海洋環境的細微變化，比如GOCI衛星。

地球靜止軌道是地球同步軌道的一個特例，二者之間有一些區別，地球同步軌道上的衛星每天在同樣的時間通過地球上的同一個點，而地球靜止軌道上的衛星一直固定在定點位置不動。
二者的區別有三：

• 軌道傾角有區別：地球同步軌道不一定在赤道面上方。
• 觀察者看到的現象不同：地球同步軌道上的衛星每天以相同的時間通過地球上的同一個點，地面觀察者看到衛星是移動的；而地球靜止軌道上的衛星一直固定在其定點位置不動。
• 星下點軌跡不同：地球同步衛星的星下點軌跡是一條8字形的封閉曲線。

5.1 實際應用

大多數商用通信衛星、廣播電視衛星和輔助定位衛星運行在靜止軌道上。通常情況下，低軌道衛星通過轉移軌道進入到靜止軌道。第一顆發射到靜止軌道的衛星是美國的Syncom-3衛星，1964年由德爾塔D火箭發射。

在全球范圍內，運行著各種氣象衛星網絡，用以提供地表和大氣的可見光與紅外圖像，這些衛星系統包括：

美國的GOES
歐空局發射的Meteosat，該系統由歐洲氣象衛星組織EUMETSAT負責運行
日本的Himawari
中國的“風云”系列衛星
印度的INSAT系列衛星

5.1.1 軌道穩定性

地球靜止軌道只能分布在赤道上空大約35,786 km的地方，在這個高度上，軌道速度為3.07 km/s，軌道周期為1,436分鐘，很接近一個恒星日(23. 934461223小時)。這確保了衛星的運行周期和地球自轉周期一致，因此衛星的星下點在地面固定不動。所以，所有的靜止軌道衛星都必須運行在這條軌道上。

靜止軌道上的航天器受到日月引力和地球扁率的疊加影響，導致其軌道平面不斷發生進動。軌道進動周期約為53年，傾角的初始變化率約為0.85°/年，這導致每過26.5年傾角達到最大值15°。為了修正這項軌道攝動，航天器需要進行定期的軌道保持機動，每年用于修正傾角的總速度增量大約為50m/s。

第二個要考慮的效應是經度的漂移，這是由地球非球形導致的——赤道略呈橢圓形。靜止軌道上有兩個穩定的平衡點(75.3°E和104.7°W)和兩個不穩定的平衡點(165.3°E和14.7°W)。位于靜止軌道平衡點之間的航天器，在沒有任何機動的情況下，會緩緩朝著兩個穩定平衡點加速移動，這導致了經度的周期性變化。為了修正經度漂移效應，靜止軌道衛星每年共需要大約2m/s的速度增量來進行位置保持機動，具體的數值取決于衛星的定點經度。

太陽風和輻射光壓也會對衛星產生微小的作用力，隨著時間增長，這些作用力會使得衛星逐漸漂移，最終離開其標稱軌道。

在缺乏來自地球的維護服務和可再生推進劑的情況下，衛星位置保持任務消耗的推進劑限制了其壽命。目前使用的霍爾效應推進器是一種高效的電推進系統，將有可能延長衛星的使用壽命。

5.1.2 通信

靜止軌道衛星距離地面相當遙遠，所以地面與衛星的通信延遲很明顯。信號從一個地面站到衛星再返回到另外一個地面站所需的時間大約為0.25秒，也就是說，信號從地面站A到達地面站B再返回地面站A所經歷的時間接近0.5秒。

地球靜止軌道衛星位于赤道的正上方，但越往南或往北，靜止衛星在天空中的角度就越低。隨著觀測者的緯度增加，與衛星的通信變得更加困難，這是由于大氣折射、地球熱輻射、視線阻隔和地面與建筑物信號反射等因素的影響。當緯度高于81°時，靜止軌道衛星將低于地平線，不可能被觀測到。因此，俄羅斯的通信衛星采用橢圓的閃電軌道和凍原軌道，這種軌道上的衛星在高緯度地區的可見性極好。

5.1.3 軌道分配

靜止軌道衛星都必須分布在赤道上空的同一個圓環上。在運行過程中，為了避免衛星受到不良的頻率干擾，需要把靜止軌道衛星分開來放置，這就意味著軌道位置是有限的，因此，靜止軌道上運行的衛星數量也是一定的。不同國家為爭得同一靜止軌道位置（如經度相同而緯度不同的國家）和頻率資源會發生矛盾，這樣的矛盾可以通過國際電信聯盟的軌道分配機制來協調解決。1976年，8個赤道國家通過了波哥大宣言，宣稱這些國家擁有其領土上空靜止軌道的主權，但這個宣言從未被國際社會承認[7]。

5.1.4 靜止軌道衛星壽命

當靜止軌道衛星的燃料耗盡時，將不可能保持在之前的軌道位置，衛星的服務壽命就結束了。一般來說，衛星的推進劑耗盡時，其轉發器以及星上其他系統還能正常工作。如果停止進行南北位置保持控制，一些衛星可以繼續在傾斜軌道上運行（其星下點以赤道為中心畫“8”字圖案）。或者，可以把衛星軌道提升到“墳墓”軌道處理掉。

2019年4月，國際通信衛星組織29e衛星僅運行3年就因推進劑泄漏而解體，碎片威脅該軌道其他衛星的運營安全。

5.2 高度計算

地球靜止軌道、伽利略定位系統、全球定位系統（GPS）、格洛納斯系統、北斗衛星導航系統、國際太空站及哈勃望遠鏡的半徑比較圖。另外，月球軌道半徑（385,000公里）是地球靜止軌道的大約9倍。

6. 太陽同步軌道

太陽同步軌道（Sun-synchronous orbit或簡寫成SSO，有時被錯誤的稱為另一種 heliosynchronous orbit）指的就是衛星的軌道平面和太陽始終保持相對固定的取向，軌道的傾角（軌道平面與赤道平面的夾角）接近90度，衛星要在兩極附近通過，因此又稱之為近極地太陽同步衛星軌道。為使軌道平面始終與太陽保持固定的取向，因此軌道平面每天平均向地球公轉方向（自西向東）移動0.9856度（即360度/年）。

from wiki
太陽同步軌道是一種結合高度和傾角的近地軌道，使這個物體無論在升交點、降交點或軌道上任何的一點，在地球表面同一個點的上方時都在相同的平太陽時，即表面每次都接近相同的照明角度。這種在可見光或紅外線波長上有著一致光源的地球影像（例如氣象和間諜衛星）和其它的遙測衛星（例如攜帶遙測海洋和大氣，需要陽光的遙測儀器衛星）是有用的衛星特征。例如，一顆太陽同步衛星一天可以在升交點越過地球赤道12次，而每次都約在地方平時15:00經過。這獲得一個相對于地球在天球上環繞著太陽公轉的平面每天向東約一度的進動（旋轉）密切的軌道。
太陽的角度通過交點退行的調節獲得一致性－軌道自然的進動－每年完整的繞行一圈。因為地球自轉，它稍微有一點扁（相較于一個理想的球體，赤道稍微長一點），同時接近赤道的多余質量造成太空船傾角軌道的進動：軌道在太空中相對于遙遠的恒星不是固定的，但是慢慢的繞著地軸旋轉，進動的速度取決于軌道的高度和衛星的傾角。通過這兩種效應的平衡，是可能與進動的速率匹配。典型的太陽同步軌道高度大約在600至800公里，周期在96至100分鐘，傾角大約在98度（也就是輕微的逆轉，與地球自轉的方向比較，0度代表是赤道的軌道，90度是極軌道。）。
子/午軌道是一個特殊的太陽同步軌道，大約在地方平時的中午或子夜時分在經線上穿越赤道；晨/昏軌道則是在日出或日落時分穿越赤道經線的軌道，所以衛星都在分割白天和夜晚的日夜境界線上飛越。在日夜境界線上飛越對于主動雷達衛星是非常有用的，因為衛星的太陽能電池板能始終被陽光照到，不會進入地球的影子內。對于一些測量的結果會受到陽光影響或限制的被動式儀器，它也很有用處，可以讓儀器始終朝向地球夜晚的方向。晨/昏軌道曾經使用在陽光衛星、TRACE和日出衛星等觀測太陽的科學衛星，使它們幾乎能持續不停的連續觀測太陽。
對其它的行星，例如火星，也可以有太陽同步軌道。

5.1 衛星舉例

下面結合當前研究內容，以ODIN衛星為例理解一下：

衛星軌道面與太陽取向一致，則衛星不像地球同步衛星一樣隨地球自轉而轉動，即衛星只有沿軌道方向速度，沒有沿地球自轉方向即自西向東方向旋轉速度。嚴格地說，還是有自西向東的速度的，因為地球在自西向東公轉，所以衛星要保持軌道面與太陽取向一致，必須有一個與地球公轉一致的角速度，即360度/（365天）=0.9863度/天。

衛星總是在相同的地方時經過同一位置。比如，每天上午10：00經過長春上空，每天下午4：00經過武漢。ODIN衛星周期為96分鐘，而一天是$24?60$分鐘，所以衛星一天繞地球轉$24?60/96=15$圈。如此，看來，衛星每天重復一次軌道運行，即只經過長春或武漢一次。這樣，每一圈軌道觀測地球不同的地方，以達到觀測全球的目的，第二天上午10：00又回來觀測長春。其實，這是衛星軌道沒變化，地球自己轉動了，衛星一圈需時96分，地球自轉$96/（24?60/360）=24$度，地球有$360/24=15$個24度，于是，衛星在一天繞地球轉15圈。而且，在一個短時期內，一地區太陽照射情況不會有太大變化，所以可以對一個地區相同的太陽照射情況進行多次觀測。

ODIN衛星軌道傾角為97.8度，如圖1所示，春分和秋分時，白天和黑夜分界線與赤道垂直，所以，軌道線北半球在白天，南半球在黑夜，即探測不到太陽輻射；夏至時，更是這樣，而且白天時離太陽更近；冬至時，與夏至相反，衛星經過北半球是黑夜，經過南半球是白天。因為衛星軌道面與太陽取向一致，所以不會出現，同一天或同一段短時期，不會出現一會兒衛星在北半球白天南半球黑夜，一會兒又跑到北半球黑夜南半球白天的現象，必須換季才能出現這樣的情況。當然，當太陽直射南半球的時候，會出現衛星在黑夜和白天分界線的位置上運行，這樣衛星一直探測的是黎明或黃昏的太陽輻射了。
ODIN衛星升交點為18：00， 如圖2，衛星0度時在當地時太陽落山時候，90度時當地為正午，180度時為當地日出時候，270度為午夜，360又為當地太陽下山時。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%B0%E7%90%83%E8%87%AA%E8%BD%AC
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%B0%E7%90%83%E5%85%AC%E8%BD%AC
https://baike.baidu.com/item/%E6%9C%88%E7%90%83/30767?fromtitle=%E6%9C%88%E4%BA%AE&fromid=5557&fr=aladdin#2_1
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%B0%E7%90%83%E5%90%8C%E6%AD%A5%E8%BD%A8%E9%81%93
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%B0%E7%90%83%E9%9D%9C%E6%AD%A2%E8%BB%8C%E9%81%93

總結

以上是生活随笔為你收集整理的卫星运动轨道的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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