如何确定卫星的位置?

2021-09-10李紫欣

军事文摘·科学少年 2021年8期

李紫欣

如今，手机的导航定位功能十分先进，它能轻松记录人们的活动轨迹。导航定位功能的实现依赖于卫星导航系统。在进行导航时，卫星会给地面接收机发送包含卫星自身位置的信息，地面接收机通过接收4颗不同轨道卫星的信息，便可解算出自身所处位置。所以，手机导航定位的基本前提条件是确定卫星的位置。那么，在浩瀚宇宙中是如何确定卫星的位置呢？

在轨道力学中，该问题常用轨道六要素解决。理解轨道六要素的含义，要从以下几个步骤考虑。

首先考虑什么是卫星的轨道？人造卫星是在宇宙空间遵循天体力学运动规律，围绕地球飞行的航天器。卫星在受到万有引力及其他外力作用下，围绕地球运动的轨迹称为卫星轨道。人造卫星的轨道属于圆或椭圆形，地球的质心就处于圆的圆心或椭圆的焦点上。

其次考虑如何描述卫星的轨道。既然卫星的轨道是椭圆，不同的椭圆具有不同的大小、形状以及空间方位指向，只要确定这几点，卫星的轨道也就确定了。

同时，确定椭圆的大小和形状需要半长轴、偏心率两个要素。半长轴是指椭圆长轴的一半，半长轴越大则椭圆越大。偏心率表示焦点之间的距离与长轴的比值，偏心率越小则轨道越圆，偏心率越大则轨道越扁。

确定椭圆的空间方位指向需要轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角3个要素。

轨道倾角是指轨道面和地球赤道面的夹角，倾角为0，卫星始终在赤道上空飞行，这样的轨道叫赤道轨道。倾角为90度，卫星轨道平面与地球赤道平面垂直，卫星飞跃南北极上空，这样的轨道叫极地轨道。

升交点是指卫星由南向北穿过赤道面的交点，升交点赤经是指在赤道面内从春分点到升交点的夹角。

近地点幅角是指从升交点到近地点之间的角，它表明了椭圆的长轴在空间的指向。确定了轨道倾角、升交点赤经和近地点幅角，卫星的轨道也就确定了。

确定卫星轨道后，最后需要考虑卫星在轨道上的哪一点。确定卫星在轨道上的哪一点只需要真近点角1个要素。

真近点角是指在轨道平面内，卫星从近地点起沿轨道运动时扫过的角度，是某一时刻轨道近地点到卫星位置矢量的夹角。真近点角决定了卫星在轨道中的具体位置。

因此，确定卫星的位置需要半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和真近点角六要素。通过这些要素就能知道卫星在浩瀚宇宙中的具体位置。