近地空间目标组成——“轨道族”

发布日期:2019-10-22    作者:苏南


  Orbital family: A orbital family is a population of satellite that share similar proper orbital elements.
 
  轨道族:轨道族是指拥有相似的轨道元素的卫星种群。


  截至2019年10月,近地空间区域内已经分布着18439个可跟踪的人造卫星和碎片,这还不包括之间在10厘米以下的目标。其分布区域和疏密程度如下图所示:

  这些密密麻麻的每一个点都代表一颗卫星或者是一块空间碎片。科学家观测跟踪这些空间目标的目的,其一是为了精确的预报每个卫星的轨道位置,让卫星更好的为人类服务。其二是能够更好的了解其他国家卫星的种类和用途。
  位于荷兰海牙附近的莱顿小镇有一个地球卫星跟踪站,它的主要职责就是对这些空间目标进行分类,确定轨道数据,并分析轨道行为。本文的分析和结论都基于来自太空网ViaSpace和莱顿卫星跟踪站的数据和图表。
  下图是一张对三维空间目标的二维绘制,横坐标是代表轨道高度的半长轴,纵坐标是代表目标和赤道面相交程度的轨道倾角。

  从这张图上我们可以看到卫星和碎片在空间分布不是随机和无序的,而是按照一定的结构分布的。
  有了这张图表我们可以做很多事情。对太阳系小行星观测者来说,如果这张表上有新的标注,可以帮助判断是否为小行星,而且可以筛选判断小行星群是否为同源小行星。
通过这张图表我们还可以判断卫星的用途。下面列出了根据轨道高度和倾角区分的主要轨道族:
  ● Geosynchronous同步轨道族,距离地面4万2千公里左右,Molniya HEO莫尼亚高椭圆轨道,这两种轨道卫星通常被用作通信和间谍卫星;
  ● NAVSTAR导航卫星也形成了一个可识别的轨道族;
  ● GTO Cape/STS和GTO Kourou是对应于地球静止转移轨道的两个松散的目标轨道族。这些是从发射进入对地静止轨道所剩下的火箭末级,它们以低倾角在偏心轨道上运动。一个是欧洲航天局从法属圭亚那库鲁发射的,另一个是NASA和NRO 从卡纳维拉尔角发射的。这两个区域的轨道倾角不同,是因为GTO发射的倾斜与发射地点的纬度相关。
  ● Proton r/b Debris和 Breeze-M Debris是两个典型的碎片族,它们是空间物体分解(通常是爆炸的火箭级)的结果:
  ● OV1是美国空间飞行试验卫星轨道族;
  ● Cluster-II是磁层多尺度探测和研究卫星轨道族;
  ● MMS是磁场重力场研究和探测卫星轨道族;
  其中数量最多最有趣的是Sun-synchronous Polar orbit太阳同步极轨地球观测卫星轨道族。我们将其放大如下图:

  ● Sun-synchronous太阳同步卫星轨道根据其高度不同轨道倾角在95°~104°之间。这样的卫星会在每天相同的时间经过同样的位置。这样太阳照射地面的影子不会发生变化,有利于对地面的观测。
  ● Kosmos 1275 Debris是俄罗斯通信卫星碎片轨道族;
  ● Iridium是铱星通信星座卫星轨道族;
  ● Transit/OPS/Scout是美国海军导航、侦查卫星轨道族;
  ● Westford Needles是美国人工制造电离层卫星轨道族;
  继续放大太阳同步轨道这一部分,如下图所示:

  太阳同步极地轨道卫星轨道族,其轨道倾角随着轨道的高度增加而不断增加,在102°倾角的区域聚集了大量的气象卫星轨道族。
  但我们可以发现一个有趣的现象,在101°轨道倾角的地方居然有一个空白区域,把太阳同步轨道卫星轨道族分成了上下两个区域。不知道这是什么原因,有清楚的朋友们可以给我们留言反馈。

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