高中物理:地球同步衛星知多少?地球同步衛星原理

人造地球衛星已經被廣泛應用於科研、軍事、和工農業生產等領域，有通訊衛星、軍事衛星、氣象衛星等。其中通訊衛星繞地心運動的角速度與地球自轉的速度相同，所以從地面上看，它總在某地的正上方，因此叫同步衛星。這種衛星一般用於通訊，又叫同步通訊衛星。我們平時看電視實況轉播時總聽到解說員所說的太平洋上空或印度洋上空的衛星都是通訊衛星。下面對同步衛星的幾個問題進行簡單介紹。

1．同步衛星只能定點於赤道上空

 

若在北緯或南緯某地上空有一顆衛星，那麼這顆衛星軌道平面的中心應是地軸上的某點，而不是地心，其需要的向心力也指向這一點。而地球所能夠提供的引力只能指向地心，這樣衛星在繞地軸做圓周運動的同時，也向赤道平面運動，從而不能使衛星的運動和地球自傳同步，所以北緯或南緯某地上空是不可能有同步衛星的。衛星的軌道與地球赤道共面，才能與地球自轉同步，即只能定點於赤道的上空。

2．同步衛星的高度是唯一的

 

同步衛星做圓周運動的周期T=24h=86400s，地球的半徑R=6400km，地球質量M=6.0×1024kg。設同步衛星質量為m，離地面的高度為h。

 

對衛星由萬有引力提供向心力得：

 

代入數值解得：h=3.6×104km

 

可見同步衛星必須定位於赤道上空，且地面高度h=3.6×104km處。赤道上空的這一位置被科學家稱為「黃金圈」，是各國在太空爭奪的主要領域。

3．同步衛星的軌道是圓，不能是橢圓

 

根據同步衛星的特點：它的角速度與地球自轉的角速度相同，其角速度是個恆定值，決定了它的軌道只能是圓。如果它的軌道是橢圓，地球應該位於橢圓的一個焦點上，衛星在運動過程中就會出現近地點和遠地點，在近地點時速度和角速度比遠地點大，這樣衛星的角速度就不是恆定值，與地球不能保持相對靜止了。

4．至少要3顆同步衛星均勻分布在同步軌道上，才可以實現全球通信

 

 

根據同步衛星的特點，可以計算出一顆同步衛星所發出的電磁波能覆蓋的範圍：同步衛星的高度h=3.6×104km和地球的半徑R=6400km，如圖可得cosα==0.51，α=81.30 ，2α=162.60，蓋整個赤道需要的衛星數量為：=2.2。所以要實現全球通信至少要3顆同步衛星。

5．同步軌道上所允許放置的同步衛星的數量

 

地球的同步衛星只能分布在赤道正上方的同一條圓型軌道上，而為了衛星之間不相互幹擾，大約3度角左右才能放置一顆衛星，所以地球的同步通訊衛星只能有120顆。

6．同步衛星的發射

 

同步衛星軌道高，直接用火箭沿直線發射到同步軌道，需消耗大量燃料，同時還要受發射場地的限制，所以通常採用變軌方式發射，下圖是同步衛星發射的簡化過程，先將衛星發射至近地圓軌道1，然後在軌道上的一點P點火，使衛星突然加速，衛星將離心運動到橢圓軌道2運行，隨著衛星離地心越來越遠的同時，其速率也不斷減小，在遠地點Q再次點火，衛星突然加速，將衛星送入同步軌道3運行。