一種非常流行的軌道格式是地球靜止衛(wèi)星軌道。地球靜止軌道被許多應(yīng)用使用，包括直接廣播以及通信或中繼系統(tǒng)。

地球靜止軌道的優(yōu)點(diǎn)是衛(wèi)星全天保持在同一位置，天線可以指向衛(wèi)星并保持在軌道上。

這一因素對(duì)于直播電視等應(yīng)用尤為重要，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中，改變天線的方向是不切實(shí)際的。

有必要注意地球靜止軌道縮寫的使用。GEO和GSO都被看到，并且都用于地球同步軌道。

地球靜止軌道發(fā)展

地球靜止軌道的想法已經(jīng)假設(shè)了很多年?；舅枷氲目赡馨l(fā)起人之一是俄羅斯理論家和科幻小說作家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基。然而，赫爾曼·奧伯斯（Herman Oberth）和赫爾曼·波托尼克（Herman Potocnik）寫了關(guān)于在地球上空35 900公里高度的軌道站的文章，這些軌道站的自轉(zhuǎn)周期為24小時(shí)，使其似乎懸停在赤道上的一個(gè)固定點(diǎn)上。

1945 年 10 月，科幻小說作家亞瑟·克拉克 （Arthur C Clarke） 在英國主要的電子和廣播出版物《無線世界》上發(fā)表了一篇嚴(yán)肅的文章。這篇文章的標(biāo)題是“外星中繼：火箭站能提供世界報(bào)道嗎？

克拉克推斷了當(dāng)時(shí)的德國火箭技術(shù)可以做什么，并研究了未來可能發(fā)生的事情。他推測(cè)，僅用三顆地球靜止衛(wèi)星就可以提供完整的全球覆蓋。

Arthur C Clarke的地球靜止軌道衛(wèi)星概念

在文章中，克拉克確定了所需的軌道特性以及發(fā)射機(jī)功率水平，可以使用太陽能發(fā)電，甚至計(jì)算日食的影響。

克拉克的文章遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于時(shí)代。直到 1963 年，美國宇航局才能夠開始發(fā)射可以測(cè)試該理論的衛(wèi)星。第一顆能夠開始測(cè)試該理論的可用衛(wèi)星是1963年7月26日發(fā)射的Syncom 2。[Syncom 1 因無法到達(dá)正確的地球靜止軌道而失敗]。

地球靜止軌道基礎(chǔ)知識(shí)

隨著衛(wèi)星高度的增加，衛(wèi)星進(jìn)入軌道的時(shí)間也會(huì)增加。在35790公里的高度，衛(wèi)星需要24小時(shí)才能進(jìn)入軌道。這種類型的軌道被稱為地球同步軌道，即它與地球同步。

地球同步軌道的一種特殊形式稱為地球靜止軌道。在這種類型的軌道上，衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)方向與地球的自轉(zhuǎn)方向相同，并且大約有 24 小時(shí)的周期。這意味著它以與地球相同的角速度和相同的方向旋轉(zhuǎn)，因此相對(duì)于地球保持在相同的位置。

為了確保衛(wèi)星以與地球完全相同的速度旋轉(zhuǎn)，有必要準(zhǔn)確說明地球自轉(zhuǎn)的時(shí)間。對(duì)于大多數(shù)計(jì)時(shí)應(yīng)用，地球的自轉(zhuǎn)是相對(duì)于太陽的平均位置來測(cè)量的，地球的自轉(zhuǎn)與繞太陽的自轉(zhuǎn)相結(jié)合，提供了一天的時(shí)間長(zhǎng)度。然而，這并不是我們感興趣的給出地球靜止軌道的確切旋轉(zhuǎn) - 所需的時(shí)間只是一次旋轉(zhuǎn)所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間段被稱為恒星日，長(zhǎng) 23 小時(shí) 56 分 4 秒。

幾何學(xué)表明，每天旋轉(zhuǎn)一次的軌道可以保持在地球表面完全相同的位置上的唯一方法是它沿與地球自轉(zhuǎn)相同的方向移動(dòng)。此外，它的任何軌道都不得向北或向南移動(dòng)。只有當(dāng)它停留在赤道上空時(shí)，才會(huì)發(fā)生這種情況。

地球靜止軌道只能在赤道上空

從圖中可以看出不同的軌道。由于所有軌道平面都需要穿過地球的地心，因此顯示了兩個(gè)可用的選項(xiàng)。即使兩個(gè)軌道都以與地球相同的速度旋轉(zhuǎn)，標(biāo)記為地球同步軌道的軌道也將在一天中的部分時(shí)間內(nèi)移動(dòng)到赤道以北，而在另一半軌道下方移動(dòng) - 它不會(huì)是靜止的。要使衛(wèi)星靜止，它必須在赤道上方。

地球靜止衛(wèi)星漂移

即使將衛(wèi)星置于地球靜止軌道上，也有一些力可以作用于它，使其隨著時(shí)間的推移緩慢改變其位置。

包括地球的橢圓形、太陽和月亮的引力等因素都會(huì)增加衛(wèi)星的軌道傾角。特別是地球在赤道周圍的非圓形形狀傾向于將衛(wèi)星吸引到兩個(gè)穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，一個(gè)在印度洋上方，另一個(gè)非常粗略地在世界的另一端。這導(dǎo)致了所謂的東西向解放或來回移動(dòng)。

為了克服這些運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星攜帶燃料，使它們能夠進(jìn)行“駐站保持”，將衛(wèi)星返回到其所需位置。駐站機(jī)動(dòng)的間隔時(shí)間由衛(wèi)星上的允許容差決定，而該容差主要由地面天線波束寬度決定。這意味著無需重新調(diào)整天線。

通常，衛(wèi)星的使用壽命取決于燃料允許進(jìn)行空間站維護(hù)的時(shí)間。通常這將是幾年。在此之后，衛(wèi)星可以漂移到兩個(gè)平衡點(diǎn)之一，并可能重新進(jìn)入地球大氣層。首選方案是讓衛(wèi)星利用一些最后的燃料將它們提升到更高和不斷增加的軌道，以防止它們干擾其他衛(wèi)星。

地球靜止軌道覆蓋

一顆地球靜止衛(wèi)星顯然無法提供完整的全球覆蓋。然而，一顆地球靜止衛(wèi)星可以看到大約42%的地球表面，而衛(wèi)星的覆蓋范圍下降，無法“看到”地球表面。這發(fā)生在赤道周圍，也發(fā)生在極地地區(qū)。

地球靜止衛(wèi)星覆蓋

對(duì)于全球等距分布的三顆衛(wèi)星組成的星座，可以完全覆蓋赤道周圍和南北緯81°。

對(duì)于大多數(shù)用戶來說，缺乏極地覆蓋不是問題，盡管在需要極地覆蓋的地方，需要使用其他形式的軌道的衛(wèi)星。

地球靜止軌道和路徑長(zhǎng)度/延遲

在地球靜止軌道上使用衛(wèi)星的問題之一是路徑長(zhǎng)度引入的延遲。

任何地球靜止衛(wèi)星的路徑長(zhǎng)度至少為 22300 英里。這假設(shè)用戶位于衛(wèi)星的正下方，以提供最短的路徑長(zhǎng)度。實(shí)際上，用戶不太可能處于此位置，并且路徑長(zhǎng)度會(huì)更長(zhǎng)。

假設(shè)路徑長(zhǎng)度最短，這給出了單次行程，即到衛(wèi)星或返回至少約 120 毫秒。這意味著從地面到衛(wèi)星并返回的往返行程大約為四分之一秒。

因此，要在對(duì)話中獲得響應(yīng)可能需要半秒鐘，因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)必須通過衛(wèi)星兩次 - 一次是向外到達(dá)遠(yuǎn)程聽眾的旅程，然后是響應(yīng)。當(dāng)使用衛(wèi)星鏈路時(shí)，這種延遲會(huì)使電話交談變得相當(dāng)困難。當(dāng)新聞?dòng)浾呤褂眯l(wèi)星鏈接時(shí)也可以看到它。當(dāng)被問到廣播公司演播室的問題時(shí)，記者似乎需要一些時(shí)間來回答。這種延遲是許多長(zhǎng)距離鏈路使用電纜而不是衛(wèi)星的原因，因?yàn)楫a(chǎn)生的延遲要小得多。

地球靜止軌道衛(wèi)星的優(yōu)缺點(diǎn)

雖然地球靜止軌道廣泛用于許多衛(wèi)星應(yīng)用，但它并不適合所有情況。有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)需要考慮：

地球靜止軌道優(yōu)勢(shì)：

衛(wèi)星始終處于相對(duì)于地球的相同位置 - 天線不需要重新定向

地球靜止軌道的缺點(diǎn)：

與LEO或MEO相比，路徑長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此損耗較大。

鑒于海拔更高，衛(wèi)星在GEO中的安裝成本更高。

較長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度會(huì)帶來延遲。

地球靜止衛(wèi)星軌道只能在赤道以上，因此無法覆蓋極地地區(qū)。

盡管在地球靜止軌道上使用衛(wèi)星有缺點(diǎn)，但它們?nèi)匀槐粡V泛使用，因?yàn)樾l(wèi)星相對(duì)于地球上的給定位置始終處于同一位置的壓倒性優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：黃飛