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來源：互聯網

地球同步衛星（Geosynchronous Satellite）是指運行在地球同步軌道上，運行周期與地球自轉周期相同，且轉動方向也相同的人造衛星，屬高軌衛星。

1942年，美國科幻小說作者喬治·史密斯（George O. Smith）首次提出了“地球同步軌道”的概念。1945年，英國科幻小說家亞瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）對這一概念作出推廣，并將其命名為“克拉克軌道”（Clarke Orbit）。1959年，第一顆地球同步衛星“辛康2號”（Syncom Ⅱ）被哈羅德·羅森（Harold Rosen）設計出，并由美國航空航天局于1963年發射。地球同步衛星的運行軌道離地球中心大約有42164公里，距離地面大約35,786公里，其運轉周期與地球自轉周期相同，為一個恒星日，即23小時56分4秒。衛星在軌道上的繞行速度約為3.1公里每秒，角速度與地球自轉相同。

地球同步衛星按其軌道傾角不同，可分為地球靜止衛星、傾斜軌道同步衛星和極地軌道同步衛星。適于高空氣象觀測和全球通信，常用于通信、氣象、導航以及軍事情報搜集等。

發展歷史

提出理念

1929年，斯洛文尼亞火箭工程師赫爾曼·波托西尼克（Herman Poto?nik）描述了地球靜止軌道，該軌道被稱為對地靜止軌道或地球同步赤道軌道。

1942年，美國科幻小說作者喬治·史密斯（George O. Smith）在其作品《Venus Equilateral》中首次提出了“地球同步軌道”的概念，但史密斯并未在作品中詳細給出介紹。1945年，英國科幻小說家亞瑟·克拉克（Arthur C. Clarke）在一篇題為《地球外的中繼——衛星能給出全球范圍的無線電覆蓋嗎？》（Extra-Terrestrial Relays– Can Rocket Stations Give Worldwide Radio Coverage?）的作品中針對“地球同步軌道”這一概念做了進一步推廣，并在《無線世界》（Wireless world）雜志上發表。克拉克最初將其描述為“對廣播和中繼通信衛星有用的軌道”，并將其命名為“克拉克軌道”（Clarke Orbit）。同樣，在此軌道上運行的人造天體集合被稱為“克拉克帶”（Clarke Belt）。

應用歷程

1959年，第一顆地球同步衛星“同步通信2號”（Syncom Ⅱ）由休斯飛機公司的哈羅德·羅森（Harold Rosen）在工作時設計而出。1961年，羅森和他的團隊一同制造出了一個直徑76厘米，高38厘米，重11.3千克的圓柱體衛星原型。

1963年7月26日，美國國家航空宇航局發射了“辛康2號”（Syncom Ⅱ）同步通信衛星，在非洲、歐洲和美國之間進行電話、電報、傳真通信。由于這顆衛星有30度轉軸傾角，因此它的運行軌道相對于地面作8字形移動。1964年8月19日，美國發射了“同步3號”（Syncom Ⅲ）衛星。這是世界上第一顆地球同步靜止軌道通信衛星。

1965年的4月6日，國際衛星通信組織（INTERSAT）發射了一顆半試驗、半實用的靜止通信衛星——“晨鳥”（Early Bird），又稱為“國際通信衛星-Ⅰ（Intelsat 1）”，作為世界上第一顆實用型商業通信衛星，它為北美和歐洲之間提供通信服務，開創了衛星商用通信的新時代。“晨鳥”標志著衛星通信從試驗階段轉入實用階段，同步衛星通信時代的開始。

1974年4月13日，由西聯匯款公司和美國航空航天局共同發射美國國內第一顆商業地球同步通信衛星：亞洲一號（Westar 1），美國借此美國組建了由3顆衛星（一顆備用）構成的國內通信衛星系統，把電報、電話、電視和數據傳輸到美國本土的各個地區。中國于1984年4月8日、1986年2月1日和1988年3月7日分別發射3顆用于通信廣播的地球同步衛星。其中，1984年4月8日，中國長征3號運載火箭成功地發射了首枚地球同步衛星一東方紅2號試驗通信衛星。1997年5月12日，用“長征3號甲”運載火箭將“東方紅3號”同步通信衛星送入預定軌道，并定點在東經105°赤道上空。1997年6月10日用“長征3號”運載火箭將“風云2號”同步氣象衛星送入軌道。

截止到1997年底，僅亞太地區就有98顆地球同步衛星（載有2003個轉發器）向該地區提供服務，1998年發射了15顆同樣類型的衛星。

2016年11月19日，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）最新的地球同步氣象衛星GOES-16發射成功。12月11日，中國靜止軌道氣象衛星“風云四號氣象衛星”01星成功發射。2018年至2020年間，中國先后發射成功北斗三號首顆地球靜止軌道（GEO）衛星及北斗三號GEO-2、GEO-3衛星。截至2018年，共有446顆地球同步通信衛星，圍繞地球運行。

地球同步軌道

地球同步衛星是運行在地球同步軌道上的衛星，地球同步軌道（Geosynchronous Orbit，即GSO）是一個以地球為中心，且軌道周期和地球繞定軸自轉周期（23 h 56 min 4 s）相一致的軌道。繞地運動的軌道周期同步意味著，對于一個在地表的觀測者而言，地球同步軌道上的一個物體經過一個恒星日后，會回到天空中完全相同的位置。在一天的時間內，物體在空中一般為保持靜止，或以“8”字形的路徑運行，其精確特性取決于軌道的偏心率和軌道傾角。圓形地球同步軌道具有恒定的高度——即軌道和地表距離為35786千米（22236英里），并且所有的地球同步軌道共用同一長度的半長軸。

軌道周期

所有地球同步軌道的軌道周期恰好等于一個恒星日。這意味著無論其他軌道特性如何，衛星都將（每天）返回到地球表面上方的同一點。

星下點軌跡

地球靜止軌道衛星在任何時刻都處于地面上同一地點的上方，地面觀察者看到衛星始終位于某一位置，靜止不動。其星下點軌跡是一個點。一般情況下，衛星軌道具有一定的軌道傾角和偏心率，這就造成了星下點軌跡為一個扭曲的“8”字形，且每個恒星日返回到相同的位置一次。

發射軌道

人造衛星由運載火箭發射入軌，從發射點到入軌點的飛行軌跡叫發射軌道。發射軌道包括短距/垂直起降機段、程序轉彎段和入軌段。垂直起飛段和程序轉彎段都大同小異，但入軌段根據軌道高度的不同有直接入軌、滑行入軌和過渡轉移入軌之分。低軌道衛星一般直接入軌，中、高軌道衛星常常滑行入軌；同步衛星常常采用過渡轉移軌道入軌，它因火箭的級數不同而有差異，對于三級火箭來說，其發射過程大致可分為三個階段。

第一階段

第一階段是垂直起飛，轉彎飛行，進入停候軌道階段。由于地球表面附近大氣稠密，火箭飛行時受到的阻力很大，為盡快離開大氣層，通常采用垂直向上發射，容易保證飛行的穩定。發射后經很短幾分鐘加速火箭已達到相當大的速度，至第一級火箭脫離時，火箭已處于稠密大氣層之外。其次，要進入衛星軌道，除要加速到足夠大的速度外，速度方向也需要基本上平行于當地地球表面，需在進入停候軌道前使速度向量轉90°，在主動段上改變速度需要分用一部分發動機推力而消耗推進劑。

火箭的速度越大，轉彎越難，就要消耗更多的能量。因而在起飛后不久，當速度還不很大時，盡快轉彎，這樣可以節省能量。綜合考慮多方面的因素選擇先進入100~200 km高的停候軌道的做法是最適宜的。此后第二級火箭點火繼續加速，直至其脫離。當第二級火箭脫離后，衛星連同第三級火箭一并進入停候軌道，成為地球衛星。這意味著它已經具有約7.90 km/s的第一宇宙速度，并運行在離地面約100~200 km的近地圓軌道上。

第二階段

第二階段是橢圓轉移軌道階段。在停候軌道上運行少許時間后，火箭再次點火，發動第三級，使裝有遠地點發動機的衛星進入一個大橢圓的轉移軌道，此橢圓的遠地點和近地點都在赤道平面上，并且遠地點與同步軌道相交。當衛星連同第三級火箭運行至某一預計點時，火箭再次點火加速，達到預計速度后熄火（橢圓軌道近地點），然后衛星靠本身的慣性在球體引力作用下沿一條橢圓軌道飛行。用以過渡的這條橢圓軌道的遠地點必須在赤道上空離地高度為358000 km處。

第三階段

第三階段是衛星上的遠地點發動機點火，衛星入軌。在橢圓轉移軌道的遠地點上，地面測控站發出指令，點燃裝在衛星上的發動機，按計算好的方向適當加速，改變軌道平面，衛星進入同步圓軌道。如果發射場在赤道上，便可在赤道上空358000 km的遠地點處點燃遠地點發動機，在軌道平面內水平方向適當加速，使衛星速度等于同步軌道速度，衛星正式入軌。入軌后的地球同步衛星利用推進器和反作用力相對于地球靜止于太空中。這些設備可以讓衛星根據需要對其位置進行微調，以保持其軌道與地球自轉速度相同。

分類

地球同步衛星按其軌道傾角的不同可分為地球靜止衛星、傾斜軌道同步衛星和極地軌道同步衛星。

應用領域

地球同步衛星通常用于各種目的，例如與航天器（如哈勃空間望遠鏡和航天飛機）來回通信、語音通信、互聯網、廣播有線電視和無線電信號以及天氣預報。除了氣象衛星外，一個突出的應用就是通過地球同步軌道上的4顆跟蹤和中繼衛星系統高速率地傳送中低軌道地球觀測衛星或航天飛機所獲取的地球資源與環境遙感數據。

通信

衛星通信是借助地球同步衛星來彌補微波在地面傳播的不足。用同步通信衛星做中繼站，可以使它轉發的微波天線電信號跨越大陸和海洋達到地球上的很大范圍，很多電視節目都是通過衛星傳送的。通信衛星大多是相對地球“靜止”的同步衛星，在地球周圍均勻配置三顆通信衛星就可以實現全球通信。高空衛星用于長途和移動電話通信以及互聯網連接。例如，寬帶全球區域網絡使用地球同步衛星進行全球移動通信。

廣播

地球同步衛星通常用于廣播電視和廣播節目。電視信號可以從地球赤道上方固定位置的衛星直接傳送到觀眾所在的位置。由于它們的高海拔，重傳的信號可以被地球表面的大片區域接收到。

氣象觀測

一個全球性的地球靜止氣象衛星網絡可收集地球表面和大氣的可見光和紅外圖像，用于天氣觀測、海洋學和大氣跟蹤。地球同步衛星圖像已被用于跟蹤火山灰、測量云頂溫度和水蒸氣、海洋學、測量陸地溫度和植被覆蓋、簡化氣旋路徑預測和提供實時云覆蓋數據。一些信息已被組合到氣象預報模型中，但由于其視場寬、全時監測和分辨率較低，主要用于短期和實時預報。

地球同步氣象衛星提供有關天氣模式和風暴系統的實時信息。例如，地球靜止運行環境衛星（GOES）系列是美國航空航天局和國家海洋和大氣管理局（NOAA）共同提供當地天氣警報的項目。國家氣象局是NOAA的一部分，使用GOES-18捕捉大氣測量和閃電活動的實時地圖，并監測空間天氣。另一個例子是歐洲航天局的氣象衛星系列。

遙感

地球同步衛星配備了傳感器來收集數據和監測地球表面的事件。例如，它們被用來研究短期的海洋和海岸現象，如海洋和洋流之間的跨大陸架交換。也可以用來監測火災。自動生物質燃燒算法（ABBA）是在20世紀90年代使用地球同步運行環境衛星GOES-7和GOES-8數據創建的，它在南美廣泛用于監測火災情況。地球同步衛星可提供火災位置和特征、火災輻射功率、火災規模和火災溫度等。

地球同步衛星也被用來通過傳送時鐘、星歷和電離層誤差修正來增強導航系統，這些誤差修正是從已知位置的地面站計算出來的，并提供額外的參考信號。全球定位系統和其他導航系統使用地球同步衛星數據來提高自身的精度，使用高空衛星為GPS接收器提供一個已知的校準點。

例如中國北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，簡稱“BDS”）是中國自行研制的全球衛星導航系統。是繼美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）之后第三個成熟的衛星導航系統。北斗衛星導航系統（BDS）和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。

截至2017年，北斗衛星導航系統由空間段計劃由35顆衛星組成，包括5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星。可用于個人位置導航、行車記錄導航、沙漠/山區/海洋等人煙稀少地區的搜索救援等，軍隊可利用“北斗”衛星導航定位系統執行部隊指揮與管制及戰場管理。