浅谈卫星轨道问题的教学

汪为青 钟 华 徐晓华

（1.景德镇一中, 江西 景德镇 333000; 2.浙江省春晖中学, 浙江 绍兴 312000; 3.无锡市羊尖中学, 江苏 无锡 214000）

各地的高考试题一直是教师钻研的对象。不少教师与教学团队力图在以往的高考试题中找到高考试题的命题规律与方向，以引领接下来的高三复习工作。在2022年的众多地理高考试题中，有一道卫星轨道相关的考题，使得不少学生与教师感到困惑，试题如下。

（2022年高考湖北卷地理试题）风云三号E星是全球第一颗在晨昏轨道运行的太阳同步气象卫星，与在轨的风云三号C星、D星形成“晨昏、上午、下午”三星组网格局，可实现全球观测资料的100%覆盖。E星装载最先进的微光成像仪，可大幅提高弱光条件下的监测精度。下图示意晨昏轨道、上午轨道和下午轨道（见图1）。据此完成以下小题。

图1 风云三号晨昏轨道、上午轨道和下午轨道示意图

E星的运行轨道相对于地轴

A.年变化幅度为23°26′ B.日变化幅度为180°

C.年变化幅度为46°52′ D.日变化幅度为360°

本题的正确答案为A选项。本题考查地球运动。E星的运行轨道是晨昏轨道，即晨昏圈。因此，E星的运行轨道相对于地轴的变化即晨昏圈相对于地轴的变化。而晨昏圈相对地轴的夹角最小在二分日，为0°，最大为二至，为23°26′，年变化幅度为23°26′，A项正确。

学生对于此题的困惑主要源于其对卫星轨道的空间变化没有立体的认识；同时，题干对给定陌生的名词“太阳同步气象卫星”没有进行明确解释，加大了学生解题难度。风云三号E星的运行轨道相对于地轴的日变化幅度与年变化幅度究竟如何？在高三的复习备考中，教师需要掌握一定的卫星轨道背景知识，拓宽知识储备，提升专业素养，以便今后更加科学地分析与教学此类问题。

一、多样的卫星轨道

根据卫星轨道倾角，即卫星轨道平面的法向与地轴北极指向所形成的夹角的不同，可以将卫星分为三大类（见图2）。

图2 卫星轨道介绍

1.赤道轨道

当卫星轨道倾角为0°时，卫星始终在赤道上空飞行，这种轨道称为赤道轨道。当地球同步轨道高度位于距地平面35786km的上空时，它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道（GEO）。从地面上看，卫星似乎是悬在天空某个定点固定不动，故称静止卫星。这种卫星的优越性在于仅需使用3个卫星组网，便能覆盖全球，实现对地的不间断通信与观测，如我国风云四号A、B星。

2.极地轨道

卫星轨道平面与地球赤道平面呈90°角，卫星从南、北两极点上空附近穿过。在这种轨道上运行的卫星可以飞经地球任何地区。此类卫星发射量非常少，部分铱星和极地气象卫星采用此轨道。

3.倾斜轨道

（1）顺行轨道。卫星倾角在0～90°之间，卫星的运行方向和地球自转的方向一致。在我国，要把这类卫星送入轨道，运载火箭需要朝东南方向发射，这样才能利用地球自转的速度节约火箭的能量。世界上大部分卫星都是采用这种轨道，如我国的天宫系列空间站。

地球同步轨道指卫星在顺行轨道上绕地球运行时，其运行周期与地球的自转周期（恒时日）相同，也被称为同步倾斜轨道（IGSO），其轨道距地平面为35786km。

（2）逆行轨道。卫星倾角在90～180°之间，卫星的运行方向与地球自转的方向相反。在我国，要把这类卫星送入轨道，运载火箭要朝西南方向发射。由于无法利用地球自转提供的加速度，运载火箭需要付出额外动能抵消地球自转，这对火箭的自身推力要求很高。

太阳同步轨道卫星，是逆行轨道卫星的一个特例，因轨道面与日地连线的夹角（取向）一致，所以叫太阳同步卫星。该类卫星每天向东移动0.9856度，如试题中的风云三号E星。

太阳同步轨道卫星的倾角与卫星高度的关系成正比（见图3），轨道倾角越大其运动高度距地表越高。

图3 太阳同步轨道倾角与高度对应表[1]

二、太阳同步卫星轨道的变化

对于正常工作的人造地球卫星来说，就如同八大行星绕日公转一样，其运行轨道平面与地球赤道平面的夹角是固定的，风云三号E卫星也不例外。其轨道倾角是98.75°，轨道高度为836千米，轨道偏心率≤0.0025。[2]

风云三号E卫星的轨道接近极地的太阳同步轨道卫星，是我国首颗晨昏轨道卫星。所谓晨昏轨道是指卫星的升、降交点（升交点指卫星由南向北穿过赤道平面，降交点反之）位于晨昏线附近，如E卫星的降交点地方时为5:30，[3]卫星轨道面并不会随晨昏线平面与地轴夹角的改变而变动。

假设某太阳同步卫星轨道倾角为98.5°，其轨道面随晨昏圈的变化而变动（见图4）。那么，当北半球冬至日时，卫星运行轨道沿晨昏圈运行，其轨道倾角将由98°增大到113.5°附近，根据图3中的对应关系可知，此时轨道高度也将由约836千米升高至约3000千米处（见图4-a）。倘若夏至日卫星同样沿晨昏圈运行，则轨道倾角要减少到66.5°（见图4-b），卫星完成了由逆行轨道到顺行轨道的转变。以上轨道的变化需要卫星在太空中反复变轨和改变高度，显然上述假设条件下轨道的反复变化在现有科学技术水平下是不可能实现的。

图4 假设太阳同步轨道卫星轨道随晨昏圈年变动示意

风云三号E卫星轨道变化是指太阳同步卫星为保证其取向不变，即轨道平面每天平均向地球公转方向（自西向东）转动0.9856°（即360°／年）（见图5）。若卫星轨道平面平动时空间位置保持不变（见图5-a），那么当其在位置①时是晨昏轨道，到位置③时则是下午轨道。晨昏轨道卫星为了保证对地观测的时间稳定在晨昏时分，需要利用地球赤道处的“额外引力”，完成轨道的同步转动（见图5-b），在位置①时取向是75°，到达位置③时取向不变。

图5 轨道平动与轨道进动

图5-b为全年太阳同步轨道进动的示意，从图上可清楚地观察出，若以地轴为参考，卫星轨道一年内围绕地轴旋转360°，平均每天转动约0.98°，虽然会绕地轴旋转，但与地轴的夹角保持固定，如图4中卫星的实际轨道与地轴夹角那样，风云三号E卫星轨道面与地轴的线面夹角为8.75°。

总的来说，太阳同步轨道有几个重要参数不变，一是轨道倾角不变，二是轨道取向不变，三是升、降交点时间不变。但也有一个重要的变动，就是为了保证轨道取向不变，轨道平面每天以固定的角度向东进动。

三、备考关注

卫星轨道问题是地球运动的全新题型，在高考复习时一线教师还需要关注以下与中学地理知识紧密相关的轨道内容，如考查卫星“星下点轨迹”问题、北斗卫星星座问题和卫星轨道特点等。

1.星下点轨迹

星下点是卫星和地心的连线在地球表面相交的点，即卫星在地表的垂直投影点。由于地球自转和卫星轨道运动的联合影响作用，星下点会在地球表面运动，卫星绕地运转一个周期内星下点在地表运动所形成的轨线被称为“星下点轨迹”。

(1)“8”字形轨迹

“8”字形星下点轨迹有两种形态，一是赤道对称的图形，另一种是不对称的“8”字形。地球同步倾斜轨道卫星的星下点轨迹是对称的“8”字型曲线（见图6），如我国北斗导航星座系统里的部分星座是轨道倾角为55°的此类卫星。同步倾斜轨道的倾角决定了卫星在南北半球上空到达的最高纬度值，如上述北斗卫星，最北能到达北纬55°上空。

图6 “8”字形星下点轨迹[4]

不对称的“8”字形是由于这类卫星采用了大椭圆轨道，如日本准天顶系统（QZSS）卫星，因轨道在赤道以北的部分大于赤道以南，同时又因近远地点的卫星速度差异，造成了星下点轨迹不对称。图5-b的轨道可使卫星在日本上空运行较长时间，在发射QZSS卫星数量有限的前提下，提高了导航与定位的服务时长。

(2)正（余）弦函数图形轨迹

顺行倾斜圆轨道是卫星普遍采用的一种轨道，星下点轨迹形似于正（余）弦函数图象。由于地球自西向东自转，故卫星每转动一周，卫星轨道的点下点轨迹会规律性西移（见图7）。

图7 正（余）弦函数图形轨迹

(3)直线与点轨迹

当卫星轨道倾角为0°时，卫星始终在赤道上空飞行，卫星的星下点轨迹为沿赤道运动的直线。但当卫星轨道在同步高度上时，即地球同步静止轨道，星下点的位置不发生移动，因此固定为一点。

2.北斗全球定位系统（BDS）星座

北斗星座先行发射同步静止轨道卫星（GEO），然后发射同步倾斜轨道卫星（IGSO），最后发射的是中高度圆轨道（MEO）卫星。GEO卫星具有对组网卫星数量要求少的优点，能够节省前期组网成本，但受对地观测角度影响，对高纬度地区的观测精度不高。后期发射的IGSO卫星能弥补GEO卫星的上述不足，提高了定位导航精度。

北斗系统融合了多项功能，其中短报文是北斗的一大特色，它让北斗用户能向外界告知自己的具体位置，当用户遇到危险情况时，可以及时通知救援。

3.轨道要素

(1)卫星轨道高度

一般情况下卫星轨道高度与卫星成像精度与定位精度成负相关，所以负责全球通讯的静止卫星的高度距地表最高，而气象观测卫星为了获取更高的数据精度往往取用中低高度轨道。

(2)卫星轨道形状

多数卫星采用以地心为圆心的正圆轨道，但一些中高纬度国家为了通讯要求会使用偏心率大的椭圆轨道。这样卫星在绕地运动时会在这些国家上空多停留一段时间，增加使用时长，如前文中的QZSS卫星。

(3)卫星轨道变动

太阳同步卫星轨道平面会随地球公转每日向东转动约0.98°，其他卫星轨道平面随地球公转平动。

四、教学与思考

卫星轨道问题需要学生具备较强的空间思维能力，如何有效培养学生的空间思维能力，是当前中学地理教学中亟待解决的难题。

针对地球运动的空间思维能力，一方面要培养学生的动手能力，学生在制作各类天体运动模型的同时，思考地理事物的空间关系，解决实际操作面临的空间关系难题，有利于从平面空间到立体空间的思维建立，如引导学生制作演示月相成因的互动模型；[5]另一方面，可以借助交互式软件模拟演示，[6]操作时通过调整软件中的参数，突破空间与时间的束缚，为教学提供可视化情境。

教师在教学地球运动这一章节时，要善于发现学生面临的空间问题，寻找方法解决问题。教师在课前与课后要布置合理的任务、优化教学设计，驱动学生空间思维能力的养成。