淺談衛(wèi)星軌道問題的教學

汪為青 鐘 華 徐曉華

（1.景德鎮(zhèn)一中, 江西 景德鎮(zhèn) 333000; 2.浙江省春暉中學, 浙江 紹興 312000; 3.無錫市羊尖中學, 江蘇 無錫 214000）

各地的高考試題一直是教師鉆研的對象。不少教師與教學團隊力圖在以往的高考試題中找到高考試題的命題規(guī)律與方向，以引領接下來的高三復習工作。在2022年的眾多地理高考試題中，有一道衛(wèi)星軌道相關的考題，使得不少學生與教師感到困惑，試題如下。

（2022年高考湖北卷地理試題）風云三號E星是全球第一顆在晨昏軌道運行的太陽同步氣象衛(wèi)星，與在軌的風云三號C星、D星形成“晨昏、上午、下午”三星組網格局，可實現(xiàn)全球觀測資料的100%覆蓋。E星裝載最先進的微光成像儀，可大幅提高弱光條件下的監(jiān)測精度。下圖示意晨昏軌道、上午軌道和下午軌道（見圖1）。據(jù)此完成以下小題。

圖1 風云三號晨昏軌道、上午軌道和下午軌道示意圖

E星的運行軌道相對于地軸

A.年變化幅度為23°26′ B.日變化幅度為180°

C.年變化幅度為46°52′ D.日變化幅度為360°

本題的正確答案為A選項。本題考查地球運動。E星的運行軌道是晨昏軌道，即晨昏圈。因此，E星的運行軌道相對于地軸的變化即晨昏圈相對于地軸的變化。而晨昏圈相對地軸的夾角最小在二分日，為0°，最大為二至，為23°26′，年變化幅度為23°26′，A項正確。

學生對于此題的困惑主要源于其對衛(wèi)星軌道的空間變化沒有立體的認識；同時，題干對給定陌生的名詞“太陽同步氣象衛(wèi)星”沒有進行明確解釋，加大了學生解題難度。風云三號E星的運行軌道相對于地軸的日變化幅度與年變化幅度究竟如何？在高三的復習備考中，教師需要掌握一定的衛(wèi)星軌道背景知識，拓寬知識儲備，提升專業(yè)素養(yǎng)，以便今后更加科學地分析與教學此類問題。

一、多樣的衛(wèi)星軌道

根據(jù)衛(wèi)星軌道傾角，即衛(wèi)星軌道平面的法向與地軸北極指向所形成的夾角的不同，可以將衛(wèi)星分為三大類（見圖2）。

圖2 衛(wèi)星軌道介紹

1.赤道軌道

當衛(wèi)星軌道傾角為0°時，衛(wèi)星始終在赤道上空飛行，這種軌道稱為赤道軌道。當?shù)厍蛲杰壍栏叨任挥诰嗟仄矫?5786km的上空時，它繞地球運行的角速度與地球自轉的角速度相同，這種衛(wèi)星軌道叫地球靜止衛(wèi)星軌道（GEO）。從地面上看，衛(wèi)星似乎是懸在天空某個定點固定不動，故稱靜止衛(wèi)星。這種衛(wèi)星的優(yōu)越性在于僅需使用3個衛(wèi)星組網，便能覆蓋全球，實現(xiàn)對地的不間斷通信與觀測，如我國風云四號A、B星。

2.極地軌道

衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面呈90°角，衛(wèi)星從南、北兩極點上空附近穿過。在這種軌道上運行的衛(wèi)星可以飛經地球任何地區(qū)。此類衛(wèi)星發(fā)射量非常少，部分銥星和極地氣象衛(wèi)星采用此軌道。

3.傾斜軌道

（1）順行軌道。衛(wèi)星傾角在0～90°之間，衛(wèi)星的運行方向和地球自轉的方向一致。在我國，要把這類衛(wèi)星送入軌道，運載火箭需要朝東南方向發(fā)射，這樣才能利用地球自轉的速度節(jié)約火箭的能量。世界上大部分衛(wèi)星都是采用這種軌道，如我國的天宮系列空間站。

地球同步軌道指衛(wèi)星在順行軌道上繞地球運行時，其運行周期與地球的自轉周期（恒時日）相同，也被稱為同步傾斜軌道（IGSO），其軌道距地平面為35786km。

（2）逆行軌道。衛(wèi)星傾角在90～180°之間，衛(wèi)星的運行方向與地球自轉的方向相反。在我國，要把這類衛(wèi)星送入軌道，運載火箭要朝西南方向發(fā)射。由于無法利用地球自轉提供的加速度，運載火箭需要付出額外動能抵消地球自轉，這對火箭的自身推力要求很高。

太陽同步軌道衛(wèi)星，是逆行軌道衛(wèi)星的一個特例，因軌道面與日地連線的夾角（取向）一致，所以叫太陽同步衛(wèi)星。該類衛(wèi)星每天向東移動0.9856度，如試題中的風云三號E星。

太陽同步軌道衛(wèi)星的傾角與衛(wèi)星高度的關系成正比（見圖3），軌道傾角越大其運動高度距地表越高。

圖3 太陽同步軌道傾角與高度對應表[1]

二、太陽同步衛(wèi)星軌道的變化

對于正常工作的人造地球衛(wèi)星來說，就如同八大行星繞日公轉一樣，其運行軌道平面與地球赤道平面的夾角是固定的，風云三號E衛(wèi)星也不例外。其軌道傾角是98.75°，軌道高度為836千米，軌道偏心率≤0.0025。[2]

風云三號E衛(wèi)星的軌道接近極地的太陽同步軌道衛(wèi)星，是我國首顆晨昏軌道衛(wèi)星。所謂晨昏軌道是指衛(wèi)星的升、降交點（升交點指衛(wèi)星由南向北穿過赤道平面，降交點反之）位于晨昏線附近，如E衛(wèi)星的降交點地方時為5:30，[3]衛(wèi)星軌道面并不會隨晨昏線平面與地軸夾角的改變而變動。

假設某太陽同步衛(wèi)星軌道傾角為98.5°，其軌道面隨晨昏圈的變化而變動（見圖4）。那么，當北半球冬至日時，衛(wèi)星運行軌道沿晨昏圈運行，其軌道傾角將由98°增大到113.5°附近，根據(jù)圖3中的對應關系可知，此時軌道高度也將由約836千米升高至約3000千米處（見圖4-a）。倘若夏至日衛(wèi)星同樣沿晨昏圈運行，則軌道傾角要減少到66.5°（見圖4-b），衛(wèi)星完成了由逆行軌道到順行軌道的轉變。以上軌道的變化需要衛(wèi)星在太空中反復變軌和改變高度，顯然上述假設條件下軌道的反復變化在現(xiàn)有科學技術水平下是不可能實現(xiàn)的。

圖4 假設太陽同步軌道衛(wèi)星軌道隨晨昏圈年變動示意

風云三號E衛(wèi)星軌道變化是指太陽同步衛(wèi)星為保證其取向不變，即軌道平面每天平均向地球公轉方向（自西向東）轉動0.9856°（即360°／年）（見圖5）。若衛(wèi)星軌道平面平動時空間位置保持不變（見圖5-a），那么當其在位置①時是晨昏軌道，到位置③時則是下午軌道。晨昏軌道衛(wèi)星為了保證對地觀測的時間穩(wěn)定在晨昏時分，需要利用地球赤道處的“額外引力”，完成軌道的同步轉動（見圖5-b），在位置①時取向是75°，到達位置③時取向不變。

圖5 軌道平動與軌道進動

圖5-b為全年太陽同步軌道進動的示意，從圖上可清楚地觀察出，若以地軸為參考，衛(wèi)星軌道一年內圍繞地軸旋轉360°，平均每天轉動約0.98°，雖然會繞地軸旋轉，但與地軸的夾角保持固定，如圖4中衛(wèi)星的實際軌道與地軸夾角那樣，風云三號E衛(wèi)星軌道面與地軸的線面夾角為8.75°。

總的來說，太陽同步軌道有幾個重要參數(shù)不變，一是軌道傾角不變，二是軌道取向不變，三是升、降交點時間不變。但也有一個重要的變動，就是為了保證軌道取向不變，軌道平面每天以固定的角度向東進動。

三、備考關注

衛(wèi)星軌道問題是地球運動的全新題型，在高考復習時一線教師還需要關注以下與中學地理知識緊密相關的軌道內容，如考查衛(wèi)星“星下點軌跡”問題、北斗衛(wèi)星星座問題和衛(wèi)星軌道特點等。

1.星下點軌跡

星下點是衛(wèi)星和地心的連線在地球表面相交的點，即衛(wèi)星在地表的垂直投影點。由于地球自轉和衛(wèi)星軌道運動的聯(lián)合影響作用，星下點會在地球表面運動，衛(wèi)星繞地運轉一個周期內星下點在地表運動所形成的軌線被稱為“星下點軌跡”。

(1)“8”字形軌跡

“8”字形星下點軌跡有兩種形態(tài)，一是赤道對稱的圖形，另一種是不對稱的“8”字形。地球同步傾斜軌道衛(wèi)星的星下點軌跡是對稱的“8”字型曲線（見圖6），如我國北斗導航星座系統(tǒng)里的部分星座是軌道傾角為55°的此類衛(wèi)星。同步傾斜軌道的傾角決定了衛(wèi)星在南北半球上空到達的最高緯度值，如上述北斗衛(wèi)星，最北能到達北緯55°上空。

圖6 “8”字形星下點軌跡[4]

不對稱的“8”字形是由于這類衛(wèi)星采用了大橢圓軌道，如日本準天頂系統(tǒng)（QZSS）衛(wèi)星，因軌道在赤道以北的部分大于赤道以南，同時又因近遠地點的衛(wèi)星速度差異，造成了星下點軌跡不對稱。圖5-b的軌道可使衛(wèi)星在日本上空運行較長時間，在發(fā)射QZSS衛(wèi)星數(shù)量有限的前提下，提高了導航與定位的服務時長。

(2)正（余）弦函數(shù)圖形軌跡

順行傾斜圓軌道是衛(wèi)星普遍采用的一種軌道，星下點軌跡形似于正（余）弦函數(shù)圖象。由于地球自西向東自轉，故衛(wèi)星每轉動一周，衛(wèi)星軌道的點下點軌跡會規(guī)律性西移（見圖7）。

圖7 正（余）弦函數(shù)圖形軌跡

(3)直線與點軌跡

當衛(wèi)星軌道傾角為0°時，衛(wèi)星始終在赤道上空飛行，衛(wèi)星的星下點軌跡為沿赤道運動的直線。但當衛(wèi)星軌道在同步高度上時，即地球同步靜止軌道，星下點的位置不發(fā)生移動，因此固定為一點。

2.北斗全球定位系統(tǒng)（BDS）星座

北斗星座先行發(fā)射同步靜止軌道衛(wèi)星（GEO），然后發(fā)射同步傾斜軌道衛(wèi)星（IGSO），最后發(fā)射的是中高度圓軌道（MEO）衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星具有對組網衛(wèi)星數(shù)量要求少的優(yōu)點，能夠節(jié)省前期組網成本，但受對地觀測角度影響，對高緯度地區(qū)的觀測精度不高。后期發(fā)射的IGSO衛(wèi)星能彌補GEO衛(wèi)星的上述不足，提高了定位導航精度。

北斗系統(tǒng)融合了多項功能，其中短報文是北斗的一大特色，它讓北斗用戶能向外界告知自己的具體位置，當用戶遇到危險情況時，可以及時通知救援。

3.軌道要素

(1)衛(wèi)星軌道高度

一般情況下衛(wèi)星軌道高度與衛(wèi)星成像精度與定位精度成負相關，所以負責全球通訊的靜止衛(wèi)星的高度距地表最高，而氣象觀測衛(wèi)星為了獲取更高的數(shù)據(jù)精度往往取用中低高度軌道。

(2)衛(wèi)星軌道形狀

多數(shù)衛(wèi)星采用以地心為圓心的正圓軌道，但一些中高緯度國家為了通訊要求會使用偏心率大的橢圓軌道。這樣衛(wèi)星在繞地運動時會在這些國家上空多停留一段時間，增加使用時長，如前文中的QZSS衛(wèi)星。

(3)衛(wèi)星軌道變動

太陽同步衛(wèi)星軌道平面會隨地球公轉每日向東轉動約0.98°，其他衛(wèi)星軌道平面隨地球公轉平動。

四、教學與思考

衛(wèi)星軌道問題需要學生具備較強的空間思維能力，如何有效培養(yǎng)學生的空間思維能力，是當前中學地理教學中亟待解決的難題。

針對地球運動的空間思維能力，一方面要培養(yǎng)學生的動手能力，學生在制作各類天體運動模型的同時，思考地理事物的空間關系，解決實際操作面臨的空間關系難題，有利于從平面空間到立體空間的思維建立，如引導學生制作演示月相成因的互動模型；[5]另一方面，可以借助交互式軟件模擬演示，[6]操作時通過調整軟件中的參數(shù)，突破空間與時間的束縛，為教學提供可視化情境。

教師在教學地球運動這一章節(jié)時，要善于發(fā)現(xiàn)學生面臨的空間問題，尋找方法解決問題。教師在課前與課后要布置合理的任務、優(yōu)化教學設計，驅動學生空間思維能力的養(yǎng)成。