卫星的理论文章

卫星（绕行星运行的单个天体）编辑[wèi xīng] 卫星是指在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道做周期性运行的天然天体，人造卫星一般亦可称为卫星。人造卫星是由人类建造，以太空飞行载具如火箭、航天飞机等发射到太空中，像天然卫星一样环绕地球或其它行星的装置人造地球卫星人造卫星是个兴旺的家族，如果按用途分，它可分为三大类：科学卫星，技术试验卫星和应用卫星。科学卫星是用于科学探测和研究的卫星，主要包括空间物理探测卫星和天文卫星，用来研究高层大气，地球辐射带，地球磁层，宇宙线，太阳辐射等，并可以观测其他星体。1957年10月4日，前苏联成功发射了世界上第一个人造地球卫星。随后美国、法国、日本都相继发射了人造地球卫星。1970年4月24日，中国自行设计、制造的第一颗人造地球卫星“东方红一号”，由“长征一号”运载火箭一次发射成功。卫星运行轨道距地球最近点439公里，最远点2384公里，轨道平面和地球赤道平面的夹角度，绕地球一周114分钟。卫星重173公斤，用20009兆周的频率，播送《东方红》乐曲。6产业规划编辑《国家卫星导航产业中长期发展规划》（以下简称《规划》）的出台将对产业发展形成很强的推动作用，而在卫星导航产业接下来的发展过程中，龙头企业将成为卫星导航产业发展的主力军。随着我国科技实力的日益提升，卫星导航产业也将迎来良好的发展机遇。《规 划》已经国务院同意，并予以印发。《规划》提出，到2020年，我国卫星导航产业创新发展格局基本形成，产业应用规模和国际化水平大幅提升，产业规模超过 4000亿元，北斗卫星导航系统及其兼容产品在国民经济重要行业和关键领域得到广泛应用，在大众消费市场逐步推广普及，对国内卫星导航应用市场的贡献率达 到60%，重要应用领域达到80%以上，在全球市场具有较强的国际竞争力。中国卫星导航定位协会此前发布的《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》也指出，到2015年中国卫星导航与位置服务产业年产值将超过2250亿元人民币，其中北斗卫星导航系统陆路交通应用年市场销售额将超过65亿元。观研天下分析师还表示，4000亿元的产业规模将使卫星导航产业成为接下来新的投资的热点行业。包括卫星导航设备、汽车应用、相关原材料生产和供应商都将因此获益。随着《规划》的落实，对于相关板块的上市公司的中长期发展将起到重要作用。[3]对 于海外市场的开拓，《规划》指出，积极实施“走出去”战略，加大北斗卫星导航系统境外应用推广力度，鼓励有条件的企业在境外建立研发中心和营销服务网络， 大力开拓国际市场，同时鼓励国外企业开发利用北斗卫星导航系统；构建完善产业国际化发展支撑体系，提升全球化发展服务保障能力。详细请参考

1846年，Toulouse天文台的负责人－－Frederic Petit宣布他们发现了地球的第二颗卫星。它是在1846年3月21日傍晚时被三位观察者看到的，他们是Toulouse的Lebon和Passier 以及Artenac的Lariviere。Petit发现这颗卫星的运行轨道是椭圆的，运行周期为2小时44分59秒，它离地球（表面）最远距离为 3570千米，最近距离为千米。听到这个发现后，勒威耶抱怨说由于空间距离的阻隔，许多事都无法得到确证。而Petit却义无反顾地致力于对这第二颗地球卫星的研究，并终于在15年后宣布正是这颗小卫星造成了地球的主要卫星－－月球的一些特殊的运行情况，可是这一点几乎被所有的天文学家所忽视。要不是法国作家凡尔纳在书中提及，它几乎就被遗忘了。在凡尔纳的小说《从地球到月球》中，写到一艘航空船差点撞上一个小天体，而小天体却没有撞向他们，而是绕着地球运行：“它只不过是一颗比较大的陨星而已，”Barbicane说，“但它似乎被地球吸引着作环绕地球的运动。”“可能吗？”Michel Ardan惊叫说，“难道说地球有两颗卫星？”“是的，我的朋友，地球有两颗卫星，而不是像我们通常所认为的那样只有一颗。这是因为这第二颗卫星太小，运行速度又太快，以至于地球人一直没有看到它罢了。据说，法国的天文学家Monsieur Petit已证实了它的存在，并计算了它的运行轨道。他说这颗卫星公转周期约为3小时20分钟……”“其他天文学家同意他的看法吗？”Nicholl问道。“没有”，Barbicane回答说，“但是，如果他们能像我们一样亲眼目睹的话，肯定不会再有怀疑了……它还提供了一个我们确定方位的方法……它的离地距离我们知道，那么，我们是在离地7480千米与它相遇的。”成千上万的人阅读了凡尔纳的这本书，可是直到1942年才有人注意到他小说中的不一致之处：一个离地距离为7480千米的卫星的运行周期应为4小时48分钟，而不是3小时20秒。由于它是在太空舱中被看到的，而月球却不能被看到。而这两颗卫星应当作的是逆向的运行，这是十分值得记录的一笔，而凡尔纳却忽略了。在任何情况下，这颗卫星都是在阴暗中，不能被看到的。因为抛射体在十分长的一段时间内是不会离开地球的阴影的。威尔逊山天文台的. Richardson博士，在1952年描述了这颗卫星的运行轨迹：近地点为5010千米，远地点为7480千米，离心率为。由于凡尔纳使Petit所发现的第二颗卫星闻名于世，越来越多的业余天文学家发现这是一个成名的好机会－－任何人只要发现这颗卫星，他的名字便会被载入天文学的史册。没有几个主要的天文台从事这地球第二颗卫星的研究，即使有也要暗自进行。而德国的业余爱好者们却在积极地跟踪着那个被他们称为 Kleinchen （“一点点”）的天体－－虽然他们从未找到它。H. Pickering一直笃信着这样一个理论：如果卫星的轨道离地球的表面距离为320千米并且它的直径为米，又拥有月球般的反照率，那么它必然可以通过3英寸的天文望远镜观察到。一颗直径为3米的卫星可能成为第5星等的裸眼可见的天体。虽然Pickering并未寻找Petit所说的天体，他却在进行着寻找第二等卫星－－即月球的卫星的工作（1903年的《大众天文》中报道“通过图象来寻找月球的卫星”）。可是他没有找到，事后他总结认为月球的卫星的直径小于3米而无法观察到。Pickering那篇关于一颗极小的卫星存在的可能性的文章－－《一颗流星般的卫星》刊登在1922年的《大众天文》上，不想又引起了业余天文爱好者的一阵骚动。主要原因是这篇文章提供了观察上的一些实际的要求：“一架3～5英寸的天文望远镜和一个低倍的目镜即可。这无疑对业余爱好者是一次好的机会。”可惜又一次的，一无所获。有一种理论认为向来无法解释的月食运行轨道的偏离是由于这第二颗卫星的重力场引起的。那就意味着这个天体的直径至少应有几千米这么大－－但如果存在这样大的一颗卫星，那它早应被古代巴比伦人发现了。即使它十分小，但由于它相对比较近又移动得十分快，也应当是十分明显的，就像我们看到人造卫星与航天飞机一样。可是另一方面，又无人有兴趣去观察过小的天体。当然还有不少人提出地球的第二颗天然卫星存在的想法。1898年，Georg Waltemath博士声称他不仅发现了第二颗卫星，还发现了一系列的白矮星。Waltemath提供了这卫星的轨道数据：距地球亿千米，直径为 700千米，运行周期119天，synodic周期177天。“有时”，Waltemath说，“它在晚上像太阳一样明亮”并且他认为这颗星就是 Lient Greely在1881年10月2日在格陵兰看到的。Waltemath还预言在1898年的2月2日、3日、4日，这颗卫星将经过太阳，这再次唤起了公众的热情。在2月4日，Greifswald邮局的12个雇员不加任何保护地用裸眼观察太阳。（Herr Postdirektor Ziegel便是其中的一个）可容易想象当时那个有趣的场景：一个在普鲁士战役中的军人在办公室的窗前，指着天际，对着他唯命是从的雇员讲着 Waltemath的预言。在被采访时，那些目击者说看到一个黑色的天体出现在太阳的直径上，并于柏林时间1:10至2:10通过太阳。但后来被证实是错误的，因为就在那个时候，两位有经验的天文学家：澳大利亚Pola的Baron Ivo von Benko和Jena的W. Winkler也在仔细地观察。据他们说只是一些太阳黑子罢了。这次的失败并未使Waltemath气馁，他仍旧坚持自己的预言并呼吁大家去证实。当代的天文学家已被一次又一次的诸如“嘿，顺便问一下，那颗新卫星怎么样了？”之类的问题激怒了。但占星术家的理论却变得流行了－－在1918年名为 Sepharial的占星术家把这颗卫星命名为Lilith。他认为它在大部分时间里是暗而不可见的，只有在它离得相当近或通过太阳时才可看到。Sepharial在Waltemath观察成果的基础上，建立了一套Lilith的理论。他认为Lilith与月球有大致相同的质量，虽然很难观察到，却以干扰了地球的运行而显示它的存在。甚至到了今天，Lilith－－这颗黑色卫星仍被一些占星术家标在自己的天宫图上。总有一些观察者不时地报告看到“其他的地球天然卫星”。德国的天文杂志《Die Sterne》报道说名为W. Spill的德国业余天文学家在1926年5月24日观察到这第二颗卫星通过月球。在1950年左右，当人造地球卫星刚开始被提出时，每个人都预见它只能被分级式火箭送上天，不载任何无线电发射装置，而由在地雷达跟踪。如果这样的话，一些近地的小卫星会产生极大干扰，它们会反射雷达发射到人造卫星上的波。但这却提供了人们寻找天然卫星的好方法，Clyde Tombaugh发展了这项技术：在离地5000千米高的卫星速率被预测出。一个拍摄站便以这个速度跟踪拍摄。恒星、行星等天体在照片上显现一条直线，但在这一高度的卫星却显示成一点。如果卫星不在这个高度，那么它在照片上表现为一条短小的直线。Lowell天文台的观测始于1953年，并且真正地探索了一块处女地：除了这个德国天文台外，没有人注意到地月之间的这块空间。到1954年秋，各类享受很高声誉的周刊和日报报道说这个天文台的观测已得到了初步结果：有一个离地高度为700千米和一颗离地高度为1000千米这样两颗卫星。人们普遍地产生这样的疑问：“它们是否是天然卫星呢？”没有人知道这些报道源自何处－－因为天文台的观测根本没得到什么结果。在1957年和1958年当第一颗人造卫星发射后，其上携带的相机才又继续追踪那些卫星。但是这并不意味着地球只有一颗天然卫星。地球可能在很短的时间内有一颗近地卫星。流星体飞过地球，穿过上层大气时会损失很大动能而进入围绕地球的卫星轨道。但由于它经过大气上层的每个近地点，它不会维持很长时间，或许只有一或两个周转，也可能达到一百个周转（相当于150小时左右）。一些报告表明这样的 “瞬间卫星”曾被看到过，可能当初Petit所看到的便是这样的卫星。除了“瞬间卫星”这种解释外，还可能有两种可能性。一个可能是月球有自己的卫星－－但是尽管经过许多次搜索，都没有发现过（据知，月球的引力场十分不稳定或者说太“不平”了，以至于它的任何卫星轨道也十分不稳定－－那绕月卫星便会在运行相当短一段时间后，一般几年或十年左右，撞向月球）。另一种可能是存在着绕月球运行的特洛伊卫星，落后或超月球公转轨道60度。Krakow天文台的波兰天文学家Kordylewski首先报告了这种“特洛伊卫星”。他是在1951年开始他的寻找的。他希望能在绕月轨道上找到一颗离月球为60度的大小合适的天体。可是探索一无所获。在1956年他的同国人，同事Wilkowski提出可能存在许多微小的天体，由于太小而不能被单独看见，但却多得合成云状粒子。如果这样的话，最好的观察方式将是用肉眼，而不是通过天文望远镜。用天文望远镜只会“漠视”了它们的存在。Kordylewski博士很愿意试一试。他所需要的是一个无月的晴朗的夜空。1956年10月，Kordylewski终于首次在距月球60度的两个位置中的一处，看到了明亮的碎片。它不是很小，对角为2度（大约是月球的4 倍），它很暗，只有众所周知的对日照（黄道带上正对太阳的明亮碎片）的亮度的一半。1961年的3、4月，Kordylewski成功地在预计位置上拍摄到了两片星云。它们看上去似乎在不断扩大，不过这可能只是由于亮度的改变而造成的视觉差而已。1975年，J. Roach运用 OSO （公转太阳天文台）的6艘太空飞船探测了这些“云状卫星”。1990年它们再次被拍摄下来，这次是由波兰的天文学家Winiarski拍摄的，他还发现它们“徘徊”在高于“特洛伊卫星”10度的地方，它们的光比黄道带的光红一些。至此长达一世纪的对于地球第二颗卫星的搜寻似乎已成功了，即使这颗卫星与当初任何人想预计的都不同。它们十分难找，也很难与黄道带的光发开，特别是那颗对日照。但仍有人认为还存在另一些天然地球卫星。在1966年至1969年间，美国科学家John Bargby声称他观察到至少十颗小到只能通过天文望远镜才观察到的地球天然卫星。Bargby发现了这些天体的椭圆轨道：离心率为，半主轴长 14065千米，远地点高度14700千米，近地点高度680千米。Bargby认为它们是在1955年破裂的天体的碎块。他得到的这些结论大都是建立在不稳定的人造地球卫星的基础上的。Bargby运用人造地球卫星所提供的资料，却没有意识到这些数据只是一些近似值，甚至于有时是错误的，因此根本不能应用于精确的科学分析。另外，根据Bargby的观察结果，当他所说的卫星经过近地点时，应为可见的一等星，应该轻易地就被肉眼观察到，可是却从没有人看到类似的天体。1997年，Paul Wiegert （等人）发现了小行星3753有一个很奇怪的轨道，似乎是地球的一颗伴星，可是它并不围绕地球运动。

由于地球形状不规则，质量分布也不均匀，对于卫星所受到的吸引力不能用简单表达式描写，常用无穷级数展开式描述。这个级数收敛很慢，说明地球引力是很复杂的。这个力仅与卫星的位置有关，属于保守力。卫星受到的引力加速度是位函数的方向导数。而位函数的表达式是：式中r、λ、φ在描写卫星位置的球坐标中分别为地心距离、地心经度、地心纬度；Re为地球赤道平均半径；μ为地球引力常数；Pn(sinφ)是自变量sinφ的n阶勒让德多项式，P嬘(sinφ)是m次n阶的缔合勒让德多项式；Jn、Jnm、λnm是与地球形状及密度分布有关的常数。J2值为×10-3，其他系数都在10-6量级。位函数的项可以分为三类：①位函数的第一项是球形地球的引力项。如仅有这一项，卫星运动轨道为开普勒椭圆轨道。②勒让德多项式项称为带谐项。带谐项只与卫星所处的纬度有关，反映地球的旋转对称性。J2项表示地球是一个旋转椭球体，其赤道半径比极半径长公里。J2项是主要项，常称为地球扁率摄动。J3项反映地球南北不对称，南半球比北半球大，北极突出而南极凹进，呈梨形。③缔合勒让德多项式项称为田谐项。田谐项与卫星的经度和纬度都有关。对于一般卫星的运动，经度值变化为周期性，影响互相抵消。对于同步卫星，尤其是静止卫星，经度变化很小，田谐项的影响才比较明显。J22项反映地球赤道也是一个椭圆，这个椭圆的长轴只比短轴长138米。长轴约在东经162°和西经18°方向，短轴约在东经72°和西经108°方向，这一项对地球静止卫星轨道的摄动已不可忽略。 人造地球卫星的实际运行轨道并不是开普勒轨道。由于摄动力的影响，卫星的运动轨道比较复杂。按摄动理论，轨道要素不再是常数。根据轨道要素的变化特点，轨道摄动可以分为长期摄动、长周期摄动、短周期摄动（见航天器轨道摄动）。长期摄动与时间成正比，引起人们特别注意，人造地球卫星轨道的主要长期摄动有：①地球扁率引起轨道面绕地球自转轴均匀旋转，称为轨道面的进动。当轨道倾角小于90°时，从北极看，进动是顺时针方向;大于90°时，进动方向是逆时针的；等于90°时，则不转动。进动角速率与轨道长轴、偏心率、倾角有关。②地球扁率引起椭圆长轴在轨道面内均匀转动。转动角速率用近地点幅角的变化率表示。在倾角小于°或大于 °时，近地点幅角均匀增加。在°与°之间时，均匀减小。等于°或°时，不转动。°和°称为临界倾角。③地球扁率引起平近点角的长期变化。卫星在椭圆上运动的平均角速率为360°/T，T为周期。平近点角是卫星经过近地点后以平均角速度运动时所转过的角度，用M表示。这是一个理论角，常用来代替过近地点时刻，而作为轨道要素之一。平近点角的长期变化与轨道大小、偏心率和近地点位置有关，卫星飞行时间越长，变化越大。④大气阻力引起轨道半长轴和偏心率同时衰减，这项长期摄动关系到近地卫星的轨道寿命。周期摄动和短周期摄动使轨道要素呈周期性变化。在精确计算轨道时也须考虑。轨道摄动给计量轨道周期带来麻烦，结果出现几种不同用处的周期。如交点周期是从升交点到再次经过升交点的时间间隔；近点周期是飞行器经过相邻两个近地点的时间间隔；恒星周期是用长半轴根据开普勒第三定律计算出的周期。这三个周期互不相同，彼此可以换算。轨道摄动使得轨道计算复杂化，有些摄动需要设法避免其影响。例如，苏联的“闪电”号通信卫星倾角选为临界角，避免了远地点位置的移动，使得远地点始终在苏联领土上空，这样可保持苏联国内通信时间较长。有时人们也利用摄动力来得到所需要的轨道变化。例如利用轨道面的长期旋转设计出太阳同步轨道，利用大气阻力使卫星返回地面。根据卫星使命选择合适的轨道是轨道设计的主要任务长。根据轨道变化规律可以设计出像太阳同步轨道、地球静止卫星轨道、极轨道、回归轨道等实用的轨道。为了保持轨道精度，卫星需要装设轨道控制系统，用来克服入轨误差和抵消摄动力的影响。

张卫星：男 生于广东 47岁 现任北京工业大学经济与管理学院副教授 管理科学与工程硕士 北京商业经济学会专家理事 中国市场学会会员 主讲课程：市场营销学、 营销管理模型、物流学、 市场预测与决策 研究特长：市场营销管理、渠道开发与设计、市场进入与定位、营销策划与战略设计、物流管理、市场营销实务与策划。