小火箭聊太阳同步轨道[color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]
[color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]From [color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]邢强博士
小火箭
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小火箭出品 本文作者：邢强博士
本文共7036字，71图。预计阅读时间：1小时。
又到春节了！
小火箭在这里祝所有小火箭好友春节快乐！万事如意！
上图为哈勃太空望远镜拍摄的风车星系。
风车星系，大名NGC 5457星系。她的正面朝向地球，是一个螺旋星系，位于大熊座，距离地球2100万光年。
风车星系的质量至少为太阳的170亿倍，尺寸相当于我们银河系的2倍。新年发风车星系，祝转好运！
按传统，小火箭在每年春节期间都会以相应的生肖来贺岁。
比如，2016年，丙申猴年春节，小火箭给出了《猴子，真正的太空探索先驱》。
2017年，丁酉鸡年春节，按丁火酉金之数，小火箭给出了对应于酉之金数的《卫星表面的金色薄膜，一种重要的军事和工业材料》和对应于火之红色的《美国天基红外导弹预警卫星的8个问题》。
2018年，戊戌狗年春节，小火箭发布了《寻找太空汪！小火箭讲述52只太空狗的传奇》一文。
玛格丽特·杜拉斯说过，“人只要一开始回忆，那就已经开始变老了。”
所以，咱们还是向前看吧！
2019年，己亥猪年春节，小火箭会聊小猪佩奇么？
嗯。那个被人说得太多了。还是换个话题吧。
猪年的左半部分，和戊戌狗年类似，不再赘述。而右半部分，由土、日和一条倾斜的轨道组成。
鉴于土的部分，小火箭已经在《感谢卡西尼带我们找回仰望星空最初的美妙》土星探测器系列中，以连续4篇报告详细分析了土星和卡西尼探测器。
日者，太阳也。那么，留给属于小火箭好友的己亥年春节文章的主题也就这样确定了：
太阳同步轨道
嗯，今天咱们聊一下太阳同步轨道。
有关该类轨道，很多人早就有所耳闻。
比如，我们在介绍一款运载火箭的能力的时候，常常提到的SSO运载能力，就是指的太阳同步轨道运载能力。
印度PSLV运载火箭，近地轨道LEO运载能力为3.8吨；620公里的太阳同步轨道SSO运载能力为1.75吨；地球同步转移轨道GTO运载能力为1.2吨。
中国的金牌火箭长征2号丁运载火箭，近地轨道LEO运载能力为3.5吨，太阳同步轨道SSO运载能力为1.3吨。
诺斯罗普·格鲁曼公司的安塔瑞斯运载火箭，近地轨道LEO运载能力为8吨，500公里太阳同步轨道SSO运载能力为3吨。
俄罗斯联盟2.1b运载火箭的近地轨道LEO运载能力为8.2吨，太阳同步轨道SSO运载能力为4.9吨。
由此可见，太阳同步轨道是一类非常实用的轨道，在所有的轨道类型中，占据重要的一席之地。
另外，发射太阳同步轨道的卫星，看起来，总是比普通的近地轨道卫星要困难一些。同样的一枚火箭，打太阳同步轨道，其运载能力就仅剩近地轨道的一半了。
定义
太阳同步轨道，顾名思义，就是卫星的星下点通过行星表面的任何给定地点时，都在相同的当地太阳时的轨道。
这是什么意思呢？
答：卫星在当地时间下午2点整通过某基地上空。当该卫星再次飞经该基地上空时，我们抬手看一眼手表。哈！和上次一样，还是下午2点。
这个轨道属性是非常有用的。
比如我们研制了一颗卫星去侦察某个地方的洲际弹道导弹的发展情况。
那款弹道导弹，对方严守机密，一点儿细节都不透露。那么，我们就可以通过这款卫星来至少知道这枚导弹的长度。
发射架的高度是已知的，我们通过测量发射架的影子长度和导弹影子的长度，按照相似三角形的关系，就能推算出导弹的长度了。
当年美国人就是通过测量影子的长度（由一颗锁眼-8侦察卫星拍得），得知苏联的N-1登月运载火箭的高度为105米的。
太阳同步轨道的轨道属性，能够把这种观测手段发挥到极致，能够常年在类似的光照条件下对指定区域进行观测。
这样，对于植被的生长情况、冰盖的变化情况等等，就能够实施不间断地观测了。
太阳同步轨道卫星在每天（和夜晚）大约相同的当地时间穿越赤道。这个轨道能够使得太阳和地球表面之间的角度保持相对恒定。上图从左至右依次展示了太阳同步轨道卫星的3条连续轨道，其赤道穿越时间都为下午1:30。
卫星最近的轨道用深红色线表示，而旧轨道用浅红色表示。
太阳同步轨道对于科学研究来说，是非常必要的，因为她尽可能地保持了地球表面上的光照角度的一致性，尽管角度会随着季节而变化。这种特性意味着科学家们可以比较几年来同一季节的图像，而不必过多担心阴影和光线的太多变化。如果没有太阳同步轨道，跟踪和观测会随着时间的推移变得越来越困难。
太阳
那么，说起太阳，只要跟住了太阳，那么太阳同步轨道不是很容易实现的么？
其实，没有那么容易。
上图是在位于美国新泽西州的贝尔实验室外拍摄的日行迹，摄于1998至1999年，由多张在不同日期拍摄的影像叠合而成。
日行迹是用以显示在一年不同日子的同时间下，太阳在天空中的位置差异，因此拍摄这种现象都需要花上一年的时间。
在奥地利地球仪博物馆内，一个古老的地球仪上，铭记着太阳在一年时间内在地球表面留下的日行迹。可见，地球人在比较早的时期就对太阳产生了浓厚的兴趣了。
以上是在地球上的日行迹。未来，我们在火星上长期生活之后，还会对火星上的日行迹逐渐适应。
地球的日行迹是上小下大的8字形，而火星的日行迹则是泪滴形。
倾角
要实现太阳同步，需要同时满足轨道高度和轨道倾角的要求。
而说起太阳同步轨道的倾角，很多人会立刻说，就是98°呗！
甚至在年前，有一位小火箭学员，在做年度测评试题的时候，也是直接在太阳同步轨道的倾角的地方，未经任何计算，直接填上了98这个数字。
事后交流，发现他是受一些科普文章的误导了。我找到了那几篇文章的原文，一边叮嘱他多计算，多细心阅读（人家原文只是强调了98°的常见，并未指明全是98°）；一边感慨如今出现的大量博人眼球但却错误不少的科普文章对未来的科研人员的伤害。
虽然大量爱好者出于兴趣或者盈利的目的创办了很多科学传播账号或者企业，这对推进太空探索事业是有利的，但是鱼龙混杂、良莠不齐的内容，客观上增加了不少噪声，影响了人们获取有效信息的效率。
先说结论：
太阳同步轨道的倾角，并不总是在98°，而是随着轨道高度的不同，有不同的取值，小到96°，大到135°甚至更大，都是有可能的。
这里，不妨和大家一起推导一下太阳同步轨道的倾角：
以地球为例，小火箭给出算例。
以上内容，将归入小火箭的《如何成为一名优秀的火箭工程师：从一时兴起到彻底放弃》系列。
地球并非完美球体，这个条件是卫星轨道出现摄动的主要原因之一。通过巧妙匹配卫星轨道高度和轨道倾角，我们可以实现这条轨道的进动角速度与地-日系统相符合。
也就是说，卫星轨道在一年365天的时间里，刚好进动360°。也就是每天向东进动（逆行）0.9856°。
以上那个0.9856是确定值。而轨道倾角则不同。
按小火箭给出的上图的推导结果，轨道高度在600公里到800公里之间的时候，轨道倾角才会是98°附近。比如近地点792公里，远地点816公里的时候，对应的轨道倾角为98.60°。
而282公里圆轨道，对应的太阳同步轨道倾角则为96.61°。这个时候，如果还是98°的话，逆行得就会太厉害。
当轨道高度抬升到901公里的时候，对应的太阳同步轨道倾角就是99.0°了。
轨道再高一些，到达2730公里的时候，对应的太阳同步轨道倾角就增大为110.1°了！
小火箭给出表格，方便查询。
如果好友需要知道每个轨道高度对应的太阳同步轨道倾角，而又不想像上上图那样计算的话，小火箭也满足你：
这里给出从100公里轨道高度到5000公里轨道高度的所有太阳同步轨道倾角的值连成的线。
之所以给出300公里以下的数值，是考虑到卫星电推系统的发展，未来的卫星轨道可以比传统的轨道高度低得多。
方便记忆的数据：
400公里高度，对应97°；
650公里高度，对应98°；
900公里高度，对应99°；
1100公里高度，对应100°；
2000公里高度，对应105°。
另外，小火箭给出200公里到2000公里的太阳同步轨道倾角速查表。
卫星绕着地球转，形成了轨道平面。
小火箭试着手绘不同的太阳同步轨道，但是考虑到数据直观化之后依然要坚持精确性的原则，还是用小火箭计算中心给出的轨道计算图吧！
上图，红色和绿色的轨道，都是太阳同步轨道。可见，不同的轨道高度，太阳同步轨道有着不同的倾角。不过，这两条轨道的倾角都大于90°。
小火箭加入第3条太阳同步轨道。这条轨道更高了，她的倾角也就更大。
换个角度来看，倾角的差异更明显一些。
再换个角度。哈！还是那3条太阳同步轨道，有趣了。
嗯！这就是轨道动力学的魅力所在吧！
简单的规则，在太阳、地球和月亮的共同作用下，纷繁变幻。而不变的，则是工程师的智慧和大自然的美妙！
所有的围绕地球转动的人造地球卫星，除了正好在90°倾角的轨道上以外，其他的任何轨道都受到地球不是完美球体这一事实的影响。
地球的质量分配不均匀，导致卫星的轨道发生变化。
以上是地球重力场示意图，红色当地重力加速度较大，蓝色表示较小。
这是按g值放大后的示意图，实际上地球还是很圆的。
有多圆？按照国际足联的标准，充满气的足球的椭圆率（表征椭圆的数值，越大，越椭。如果是0，则是正圆），允许大于0.01438849，但是一般不能超过0.01459854。
地球的赤道半径为6378.140公里，极半径为6356.755公里。那么，地球的椭圆率为0.0033528，也就是1/298.257。
也就说，地球比足球（其实也包括篮球、排球、棒球）等我们人类日常所见的球体都要更圆一些。上图为小火箭写本文时（公元2019年1月30日上午9点半）的地球，估计完成本文时已经会是2月了吧！
咱们回过头来再聊太阳同步轨道。因为地球质量分布不均匀，
对于高度185公里，倾角为40°的轨道来说，每天向西进动6.8°；
对于高度555公里，倾角为130°的轨道来说，每天会向东进动4.7°。
至此，我们对太阳同步轨道有了更深层次的了解：
太阳同步轨道，本质上就是利用了地球的这种特性，通过轨道高度和倾角的组合，刚好每天向东进动0.9856°，恰巧与太阳的运行特征相一致的轨道。
以下，小火箭给出太阳同步轨道的一些应用实例：
日冕
太阳过渡区与日冕探测器（TRACE卫星）是美国宇航局于1998年4月在范登堡空军基地发射的一颗太阳探测卫星，目的是研究太阳的小尺度磁场和等离子体结构，具有极高的空间分辨率和时间分辨率。
| TRACE的轨道参数： | 制表：邢强 | | 轨道类型 | 太阳同步 | | 近地点 | 517.6公里 | | 远地点 | 554.5公里 | | 轨道倾角 | 97.5325° | | 周期 | 95.3667分钟 |
这是一条晨昏太阳同步轨道，也就卫星在穿越赤道上空的时候，当地恰好处于日出或者日落的时分。这样的轨道，非常有利于对太阳进行持续不间断地观测。
小火箭觉得值得一提的是，该卫星是由一枚飞马座空射运载火箭送入预定轨道的。
我计算了飞马座火箭的流场。注意看该火箭的切尖三角翼设计。足足有6.7米的翼展为火箭提供了升力。
火箭的头部受气动加热的影响。从这个角度看，小火箭觉得这很像是一架可以高速飞行的飞机。
从高空发射火箭的另外的好处就是避开了较为稠密的大气，让空气阻力的影响尽量减小，从而也能节省一部分燃料。
有关飞马座运载火箭和空射运载火箭，详见小火箭的空射运载报告系列《空中发射运载火箭能够节省多少能量？》《世界最大的飞机下线：重燃空中发射火箭热情》。
公元1998年4月2日，协调世界时02点43分23秒，一枚飞马座空射运载火箭点火成功，随后将TRACE送入预定轨道。
一架伴飞的F/A-18大黄蜂记录下了精彩的瞬间。
这次入轨相当精准，卫星状态也很好。
预计1年的在轨寿命，结果整个项目成功运营了12年2个月零19天！
当时洛克希德·马丁公司把这颗科学实验卫星按军星标准打造了一下。这颗仅250公斤重的小卫星，可谓是不负众望。
TRACE卫星上携带的太阳望远镜口径为30厘米，视场为8.5角分，空间分辨率达到了1角秒，波段范围覆盖了可见光到远紫外波段。
TRACE卫星是美国宇航局为了迎接太阳活动极大年而专门发射的第一颗太阳探测器，她升空后与太阳和太阳风层探测器（SOHO）互为补充，为研究太阳的日冕结构、加热机制、光球层磁场的变化等课题进行了大量的观测。
上图为TRACE卫星拍摄的我们的太阳的圆盘图，带着一种摄人心魄的美。
TRACE卫星拍摄的太阳黑子的超精细结构。
太阳黑子是太阳光球上的一种现象。当高密度的磁活动抑制了对流的激烈活动时，在太阳表面就形成了一块温度相对比较低的区域（只有3000℃到4200℃）。在可见光层面下，太阳黑子就呈现出了比周围区域稍微黑一点点的斑点。
TRACE卫星抓拍到的日冕物质大量抛射的瞬间。
日出
2006年9月22日，协调世界时21时36分00秒，在日本内之浦宇宙空间观测所，一枚M-V运载火箭点火成功，以倾斜发射的方式，将日出号太阳探测器送入预定轨道。
| 日出号的轨道参数： | 制表：邢强 | | 轨道类型 | 太阳同步 | | 近地点 | 664公里 | | 远地点 | 691公里 | | 轨道倾角 | 98.2° | | 周期 | 98.3分钟 |
与TRACE号卫星的轨道设计思路相似，日出号同样选择了方便对日观测的晨昏太阳同步轨道。
这是日出号探测器在2012年6月5日拍到的一张难得的照片：金星凌日。
风云
风云是中国的气象卫星系列，由上海航天局研制，主用户为中国气象局。
目前，风云系列有地球静止轨道风云二号E、F、G星、风云四号A星；太阳同步轨道风云三号A、B、C星7颗卫星在轨运行。
中国地球静止气象卫星预定的定点位置有三个：105ºE、86.5ºE和123.5ºE，其中105ºE为业务卫星的定点位置，其他两个为备份位置。
小火箭给出风云系列的命名规则：
单数为大倾角的极轨卫星（竖着绕地球转）；双数为地球静止轨道卫星（横着绕地球转）。
风云三号，单数，所以为极轨，更具体来说，是近极轨太阳同步轨道卫星。
上图为风云三号D星对印度北部和孟加拉湾区域的成像。摄于2018年11月21日北京时间16点15时。
| 风云三号的轨道参数： | 制表：邢强 | | 轨道类型 | 近极地太阳同步 | | 近地点 | 836公里 | | 远地点 | 836公里 | | 轨道倾角 | 98.75° |
在太阳同步轨道上运行的风云卫星，与在地球静止轨道上运行的风云二号、风云四号不同，她们是能够拍摄全球图像的，而静止轨道只能呈现地球三分之一的固定地区。
她们的具体区别，详见小火箭的公号报告《风云变幻：全球军用民用气象卫星的发展》。
风云三号D星监测2018年9月10日1822号台风 山竹。
上图为风云三号D星太阳同步轨道气象卫星对美国加利福尼亚州山火的成像。摄于2018年11月15日北京时间04点35时。
按国家气象局的明确说法，太阳同步轨道气象卫星有4大用途：
第一：为中期数值天气预报提供全球均匀分辨率的气象参数；
第二：研究全球变化包括气候变化规律,为气候预测提供各种气象及地球物理参数；
第三：监测大范围自然灾害和地表生态环境；
第四：为各种专业活动(航空、航海等)提供全球任一地区的气象信息，为军事气象保障服务。
这颗星很厉害的，交点地方时漂移，在2年时间里，漂移量小于15分钟。
小火箭认为，我们依然还是主张和平利用太空，坚持太空非军事化。但是，和平，需要用实力来保障，而不是在祈求中愈发惆怅。
遥感
太阳同步轨道在相同的太阳时刻（不一定每天）通过地面上的相同点。太阳同步轨道在遥感中非常有用，可以为重复场景提供相同的照明条件，以便检测植被、地形或人类活动的变化。
公元2012年9月29日，协调世界时04点12分，中国一枚长征2号丁运载火箭在酒泉卫星发射中心成功点火，随后将委内瑞拉遥感卫星1号送入预定轨道。
该星是由中国航天科技集团中国空间技术研究院航天东方红卫星公司负责研制的，是我国向委内瑞拉出口的第二颗人造地球卫星。
| 委遥1号的轨道参数： | 制表：邢强 | | 轨道类型 | 太阳同步 | | 近地点 | 622公里 | | 远地点 | 654公里 | | 轨道倾角 | 98.04° | | 周期 | 97.48分钟 |
该星包含两个不同分辨率的空间相机。其最高分辨率在全色模式下为2.5米，在多光谱模式下分辨率为10米。分辨率较低的相机的分辨率为16米。
该星每天可提供350张图片。
上图为该星拍摄的委内瑞拉加拉加斯大都会地区。
气象
小火箭再补一个气象卫星的其他案例。
公元1969年2月26日，协调世界时7点46分01秒，一枚德尔塔E1运载火箭在卡纳维拉尔角发射场17B发射架点火成功。
该火箭将一颗只有145公斤重的卫星送入了太阳同步轨道。
她由铝合金和不锈钢制成，外壳覆盖着10020块太阳能电池。
这颗名为ESSA-9的太阳同步轨道气象卫星，在1969年2月下旬入轨，在1972年11月退役，刚好见证了人类第一个登月黄金时代！那几艘阿波罗载人登月飞船，正是在她提供的气象数据的护送下，小心翼翼地迈出大气层，奔赴月球，冲入深空的。
| ESSA-9的轨道参数： | 制表：邢强 | | 轨道类型 | 太阳同步 | | 近地点 | 1432公里 | | 远地点 | 1512公里 | | 轨道倾角 | 101.99° | | 周期 | 115.21分钟 |
结束语
以上内容，将归入小火箭的《如何成为一名优秀的火箭与卫星工程师：从一时兴起到彻底放弃》系列。
小火箭给出7条太阳同步轨道示例：
太阳同步轨道，是卫星的星下点通过行星表面的任何给定地点时，都在相同的当地太阳时的轨道。
太阳同步轨道，本质上就是利用了地球的质量分布不均匀的这种特性，通过轨道高度和倾角的组合，刚好每天向东转动0.9856°，恰巧与地球-太阳系统的运行特征相一致的轨道。
因为轨道倾角大于90°，属于逆行轨道，所以发射太阳同步轨道卫星的时候，我们不仅难以利用地球自转的线速度，反而会被这样的速度所累。
因此，一来太阳同步轨道卫星的轨道高度相对于一般的近地轨道要高；二来要克服地球的自转线速度的不利影响；三来要把卫星送入有严格倾角要求的轨道。这些因素综合起来，就使得运载火箭发射太阳同步轨道卫星比发射一般的近地轨道卫星要困难一些。
太阳同步轨道的倾角随轨道高度的不同而不同：
需要查找倾角速查表的好友，只需在小火箭公众号里发送 “太阳同步轨道”或者“太阳同步” 即可。
全文结束，感谢大家！
小火箭，祝大家春节快乐！万事如意！
鸣谢： 阿里巴巴 北京航空航天大学 北京理工大学 北京星天宇 德国巴斯夫
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各位好友给小火箭的新年礼物，已收到！小火箭万分感激！在新的一年，一定继续好好努力！爱你们！
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发表于 2019-3-5 03:17
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