太空安全研究：卫星轨道资源紧缺

卫星环绕地球运转，需要一定高度。太空看似无边，但是并不是所有高度都合适卫星运转，这主要是因为太空环境复杂，对卫星本身以及卫星所发射的信号产生影响。因此，卫星轨道资源是有限的。此外，地球同步(静止)轨道位于特定高度，只有一个。为了避免卫星信号之间相互干扰，卫星与卫星之间必须要有一定间隔。目前，技术可以使卫星间隔距离1.5°—2°不产生信号干扰。轨道之间的距离间隔又进一步加剧了轨道资源的有限性。这一点尤其表现在地球同步(静止)轨道上。360°的地球同步静止轨道，按照1.5°—2°的间隔，最多能放置180—240颗卫星，即使按照1°间隔也只能放置360颗卫星。

一、卫星轨道简介

卫星轨道就是卫星在太空中运行的轨迹，这是一条封闭的曲线。这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面，轨道平面总是通过地心的。卫星绕地球运行的轨道上距地心最近的一点，称为近地点(Perigee)，反之，则称为远地点(apogee)。近地点与地球表面的距离称为近地点高度，为使卫星在轨运行，轨道近地点高度通常超过180千米。同样，远地点与地球表面的距离称为远地点高度。根据开普勒行星运动第一规律，所有的轨道都是椭圆型的。如果当卫星的远地点和近地点相差很大时，卫星的轨道是椭圆的。如果远地点和近地点几乎一致，那么卫星的运行轨道近似圆形。

卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角叫“轨道倾角”(用i表示)，它是确定卫星轨道空间位置的一个重要参数。这个倾角还显示卫星绕地球时向南向北有多远，比如一个卫星的倾角60°，它绕地球运行就会北至北纬60°，南至南纬60°。轨道倾角等于90°，则轨道平面通过地球南北极，亦称“极轨道”。极轨卫星会经过整个地球。轨道倾角小于90°为顺行轨道，轨道倾角大于90°为逆行轨道;轨道倾角为0°则为赤道轨道。

人造地球卫星绕地球运行，当它从地球南半球向北半球运行时，穿过地球赤道平面的那一点叫“升交点”(当卫星从地球北半球向南半球运行时，穿过地球赤道平面的那一点叫“降交点”)。升交点赤经，就是从春分点到地心的连线与从升交点到地心的连线的夹角(用Ω表示)。近地点幅角是指轨道平面内升交点到近地点的角度，称为近地点幅角(用ω表示)。ω值在0—180°之间说明近地点发生在赤道以北，180—360°之间说明近地点发生在赤道以南。近地点幅角决定椭圆轨道在轨道平面里的方位。

半长轴(径)，是椭圆长轴的一半，长轴就是椭圆上相距最远的那两个点间的距离(用a表示)，表明轨道大小。偏心率为椭圆两焦点之间的距离与长轴的比值。偏心率为0时轨道是圆;偏心率在0～1之间时轨道是椭圆;这个值越大椭圆越扁;偏心率等于1时轨道是抛物线;偏心率大于1时轨道是双曲线。抛物线的半长轴是无穷大，双曲线的半长轴小于零。偏心率表明轨道形状。它是近地点与升交点对地心的张角，沿着卫星运动方向从升交点量到近地点。近地点幅角决定椭圆轨道在轨道平面里的方位。过近地点时刻(用t0表示)，指卫星经过近地点的时间(用年、月、日、时、分秒表示)，表明卫星在轨道的位置。简言之，决定卫星轨道形成的参数包括长半径(a)和偏心率(e);决定轨道方向的参数包括:升交点赤经(Ω);轨道倾角(i)和近地点角距(ω);决定卫星位置的参数是卫星过近地点的时刻(t0)。

近地点幅角、半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经和过近地点时间，被称为开普勒根数，这六个参数合称为人造地球卫星轨道的六要素。开普勒轨道要素中前5个是几何要素，在理想状况下是不变的，提供了轨道的大小、形状和方向，第6个是时间要素，它总是在不停地变化着，它提供了物体在轨道上的具体位置。利用这6个要素就可以计算出轨道上的物体在坐标系中的位置。人造地球卫星在轨道上的每一个位置都会在地球表面上有一个投影，这叫“星下点”。所有星下点连成的曲线叫“星下点轨迹”。由于地球自转，星下点轨迹不只一条。相邻两条轨迹在同一纬度上的间隔正好等于地球在卫星轨道周期内转过的角度。根据星下点轨迹，可以预报卫星什么时候从什么地方上空经过。特殊轨道的卫星星下点轨迹也是特殊的，如地球同步静止轨道卫星的星下点轨迹是一个点，而地球同步轨道卫星的星下点轨迹，则是一个“8”字，其交叉点在地球赤道上。

实际上，卫星运动轨迹偏离普勒轨道。这种偏离主要是因为摄动力引起的。产生摄动力的因素是多样的，如地球对卫星有吸引力。摄动力随着卫星与地球的距离增加而减小。而地球质量分布不均匀，形状也不规则，因此，卫星经过地球表面不同位置点时，地球对卫星的引力也不同。大气对卫星的运动产生阻力作用，这也是一种摄动力。大气阻力的大小与大气密度、卫星相对于大气的运动速度、卫星大小、质量和形状有关。太阳辐射压力又称太阳光压，也是一种摄动力。当阳光照射卫星，对卫星产生压力。当卫星运行到阴影区域时，太阳辐射压力消失。其他摄动因素还有地球潮汐作用、卫星受磁场的影响和人为的控制力。

二、卫星轨道分类

如前所述，卫星的运行轨道常识是确定卫星位置的依据。但是，如何选择人造地球卫星的轨道位置，则应根据其任务和应用要求来决定。例如，对地面进行观察的地球资源卫星、照相侦察卫星常采用圆形低轨道;若为了尽量扩大空间环境探测的范围，卫星可采用扁长的椭圆形轨道;为了节省发射卫星的能量，卫星常采用赤道轨道和顺行轨道;对固定地区进行长期连续的气象观测和通信的卫星，常采用地球静止卫星轨道;需对全球进行反复观测的卫星可采用极地轨道，要使卫星始终在同一时刻飞过地球某地上空，也就是说要使卫星始终在相同的光照条件下经过同一地区，则需要采用太阳同步轨道。

就人造地球卫星来说，其轨道按高度分近地轨道和中地轨道、地球同步轨道。这中间有一些特殊意义的轨道，如地球同步(静止)轨道、极地轨道和太阳同步轨道等。

图2-1 轨道的分类

说明:图中SSO，是太阳同步轨道的英文缩写;LEO是近地轨道的英文缩写;MEO是中地轨道的英文缩写;GEO是地球静止轨道;GTO是地球静止转移轨道;liberation，是指卫星脱离地球引力的逃离轨道。

来源:digitalmuseum. zju. edu. cn/front. do? methede=show Theme＆oid=8a8691a628d823180128d88bf811633a。

极地轨道，是指卫星轨道平面与赤道面夹角为90°的轨道。卫星运行时能到达南北极区上空，即卫星能飞经全球范围的上空。在这种轨道上运行的卫星，可观测到地球表面的任何一点。覆盖南北两极，轨道倾角(a)并不需要严格的90°，只需要在90°附近即可。在航天工程上，把倾角(a)在90°左右，仍能覆盖全球的轨道，都称为极地轨道。该轨道可分为地球同步轨道和极地太阳同步轨道。因为在此轨道上运行的卫星，可以覆盖全球，因此，需要在全球范围内进行观测和应用的气象卫星、侦察卫星、地球资源卫星等都采用这种轨道。

太阳同步轨道，(Sun-synchronous orbit 或 Helio-synchronous orbit)指的是卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向，轨道的倾角(轨道平面与赤道平面的夹角)98°，属于逆行轨道。卫星要在两极附近通过，因此又称之为近极地太阳同步卫星轨道。因为太阳视线与卫星轨道平面的夹角不变，当卫星每次飞越某地上空时，太阳都是从同一角度照射该地，卫星每次都在同一当地时间经过该地，也就是说，这样的卫星每天以固定的时间通过同一地方，比如，一颗卫星上午11点经过上海，第二天也是这个时候经过上海。在太阳同步轨道上运行的卫星，在经过同纬度地区时是有相近的光照条件。因此，此类卫星多利用太阳能电池作为电源。带有可见光遥感器的遥感卫星都采用太阳同步轨道。

选择太阳同步轨道，可以保证卫星每天在特定的时刻经过指定地区，可以保证最好的光照条件，从而得到高质量的地面目标图像。这对照相侦察卫星、气象卫星、资源卫星都很有利，因为每次对某地拍摄的照片都是在同一时间下取得的，通过对比，可以获得更多的信息。对于位于此轨道上的侦察卫星而言，绕地球转一圈96分钟，速度很快，不能保持实时侦察同一地点的目标，如果要实现长时间“盯”一个地方，需要很多卫星组网。

由于岁差[1]的因素的存在，岁差的速度取决于卫星的倾向和卫星的高度，要想使太阳同步轨道卫星保持96—100分钟转一圈，太阳同步轨道的高度大约为600—800千米。

近地轨道(Low Earth Orbit，LEO)，又称低地轨道，是指卫星距离地面高度较低的轨道。近地轨道没有公认的严格定义，一般高度在2000千米以下200千米以上的轨道都可以称之为近地轨道。由于近地轨道卫星离地面较近，卫星运转一周90分钟，具有信号传输时延短的特点，因此，绝大多数对地侦察卫星、气象卫星、一些新的通信卫星系统都采用近地轨道。

中地轨道(Medium Earth Orbit，MEO)，是位于近地轨道和地球静止轨道(35786千米)之间的人造卫星运行轨道。导航卫星大都在此高度运转，例如GPS(20200千米)，格洛纳斯系统(19100千米)以及伽利略定位系统(23222千米)，中国的北斗卫星高度超过20000千米，有的位于地球同步轨道上。部分跨越南北极的通信卫星也使用中地球轨道。中地轨道的卫星运转周期在2至12小时之间。

地球同步轨道(Geosynchronous Orbit，GEO)，距离地面高度约为35786千米。卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期(23小时56分4秒)，且方向亦与之一致，卫星在每天同一时间的星下点轨迹相同。它的覆盖范围很广，利用均布在地球赤道上的3颗这样的卫星就可以实现除南北极很小一部分地区外的全球覆盖。

地球同步轨道，可分为地球同步静止轨道、倾斜同步轨道和极地同步轨道。地球同步轨道是倾角为零的圆形地球同步轨道称为地球静止轨道，即轨道平面与地球赤道平面重合，因为在这样的轨道上运行的卫星将始终位于赤道某地的上空，相对于地球表面是静止的。所以，把零倾角的同步轨道称作静止轨道，在静止轨道上运行的卫星称作静止卫星。静止卫星上的天线所辐射的电波，对地球的覆盖区域基本是稳定的，在这个覆盖区内，任何地球站之间可以实现24小时不间断通信。因此，同步轨道静止卫星主要用于陆地固定通信，如电话通信、电视节目的转播等，但也用于海上移动通信。

倾斜轨道同步卫星和极地轨道同步卫星，从地球上看是移动的，但却每天可以经过特定的地区，因此，通常用于科研、气象或军事情报的搜集，以及两极地区和高纬度地区的通信。

地球同步卫星常用于通讯、气象、广播电视、导弹预警、数据中继等方面，以实现对同一地区的连续工作。在遥感应用中，除了气象卫星外，一个突出的应用就是通过地球同步轨道上的4颗跟踪和数据中继卫星系统高速率地传送中低轨道地球观测卫星或航天飞机所获取的地球资源与环境遥感数据。

要将同步卫星发射到同步轨道上，却是相当困难和复杂的。因为受火箭运载能力的限制和发射场一般不处于赤道上的影响，多数的运载火箭不能将卫星直接送到同步轨道上，必须分为三个阶段才能入轨。

第一步，运载火箭将卫星送到距地面200—300千米的停泊轨道。当卫星发射场不在赤道位置上时，一般先把卫星发射到一条近地圆形轨道上，即200—300千米的停泊轨道上。卫星的轨道倾角(a)等于发射点所在的地理纬度。(www.xing528.com)

第二步，以停泊轨道的环绕速度将卫星加速送到转移轨道与同步轨道相切处，即转移轨道的远地点。当卫星沿着停泊轨道运行到赤道上空时，给卫星加速，使卫星进入一条远地点位于赤道上空，距离地心42165千米的大椭圆轨道，也就说转移轨道与同步轨道相切处。

第三步，在远地点上点燃发动机，使卫星进入地球同步轨道，并用卫星上的小发动机调整卫星的姿态，使卫星完全进入同步轨道。当卫星沿着转移轨道运行到远地点时，给卫星加速，使卫星加速进入同步轨道。这次轨道机动必须改变轨道平面——如果轨道倾角(a)变为零度，则为进入地球同步静止轨道;如果改变为90°，或其他度数，则进入极地同步轨道和倾斜同步轨道。而且这次机动必须改变轨道形状，由椭圆型改变为圆形。

当然，以上仅仅是简单介绍。在进行第三步中及后续动作要复杂得多。在此过程中要对卫星进行姿态的调整和精确的姿态修正，使卫星慢慢贴近同步轨道并且停止漂移，这时卫星就完全定点于预定的地点上空了。在卫星工作一段时间后，由于地球形状的影响、地磁场的影响，以及其他天体的引力，使得卫星的位置发生变化，形成轨道摄动，所以要进行轨道修正，要随时控制它的状态和位置。

高椭圆轨道(Highly Elliptical Orbit，HEO)，是一种具有较低近地点和极高远地点的椭圆轨道，其远地点高度大于地球同步轨道的高度。根据开普勒定律，卫星在远地点附近区域的运行速度较慢，因此这种极度拉长的轨道的特点是卫星到达和离开远地点的过程很长，而经过近地点的过程极短。这使得卫星对远地点下方的地面区域的覆盖时间可以超过12小时。因此，比较适合通讯卫星运转。具有大倾斜角度的高椭圆轨道卫星可以覆盖地球的南北两极地区，这一点是地球同步轨道的卫星所无法做到的。

三、轨道资源稀缺

以上介绍的各种轨道，不管何种高度的轨道——不管是近地轨道，还是中地轨道，不管是太阳同步轨道，还是地球同步轨道，它们都是一种资源。但是这种资源是有限的资源，甚至是稀缺的资源。太空辽阔“无边”，怎么能说轨道资源是有限的? 怎么就容纳不下人类制造的卫星? 要想回答这种问题，就需要对卫星运转的各种轨道作用等情况进行说明。

如前所述，由于近地轨道离地面较近，卫星运转一周90分钟，具有信号传输时延短的特点，因此，绝大多数对地侦察卫星、气象卫星、一些新的通信卫星系统都采用近地轨道。

但是为了缩小对地观察、气象观察等的时间间隔，也就是提高通常所说的时间分辨率，将单星模式工作的卫星按照一定的相位[2]要求，分成多星模式工作，从而形成卫星群，也就是星座。星座主要分为两类:一种是同一轨道面内卫星以等间隔相位布放的星座;另一种是不同轨道面内卫星以等间隔相位布放的星座，如前苏联早期的电子侦察卫星有6颗卫星大致分布在3个轨道面内运行。还有一种6颗卫星布放在6个轨道面内的星座，其轨道之间保持比较严格的60°的间隔。针对时间分辨率要求高、重访周期短的观测要求，如灾害与环境监测预报，采用卫星星座的工作模式能得到较好的数据和图像质量[3][4]。

为了提高时间分辨率，需要多个卫星占据不同轨道位置。星座中卫星数量越多所占据的轨道位置也就越多。但是不是所有的位置都适合部署这样的星座。例如，出于对某一陆地地区的监视，某些侦察卫星星座不适合部署在大洋上空的轨道位置上。这样对陆地的侦察卫星，都向陆地上空的轨道位置集中，增加了卫星的密度，形成两种后果，即频率可能相互干扰;同时可能导致卫星相撞，卫星相撞会产生太空碎片，导致更多的太空相撞事故，出现太空安全的“雪崩效应”[5]。

由于发射地球同步轨道卫星成本高昂，目前把发展近高轨道的通讯卫星作为一个重点发展方向，同样采用多颗小型卫星组成星座。此种方案集中了低轨道卫星功率省、便于发射、链路损耗小、传输时延短等优点;又有地球静止轨道卫星覆盖面积大，能提供实时连续通信的优点，因为由数十颗卫星组成的星座相当于一颗超大型卫星，在世界任何一个角落看到其中的一颗星，便能通过它与其他卫星进行联通，实现区域通信或全球通信。美国的“铱”星、“全球星”是此种方案中佼佼者。“铱”星系统由66颗工作星组成星座，轨道高度为733—785千米，1997年5月首次发射，1999年开始提供服务。“铱”星分布在6个轨道上，每个轨道10颗卫星，加上1个备用星，这样一共66个卫星。最初设计时计划用7条轨道，每条轨道上均匀分布11颗卫星，组成一个完整的卫星移动通信的星座系统。由于它们就像化学元素铱(Ir)原子核外的77个电子围绕其运转一样，所以该全球性卫星移动通信系统被称为铱星。后来经过计算证实，设置6条卫星运行轨道就能够满足技术性能要求，因此，全球性卫星移动通信系统的卫星总数被减少到66颗，但仍习惯称为铱星移动通信系统。“全球星”系统由48颗工作星组成星座，轨道高度1389—1414千米。1998年首次发射卫星，1999年提供服务。这些卫星分布在8个倾角为52°的圆形轨道上，每个轨道部署6颗卫星，外加一个备用星。

一个发展趋势值得注意，自从第一代近地轨道星群在21世纪头10年的早期迅猛发展以来，对此领域的需求也将会增加，正如全球星公司预测的那样，在接下来的10年，随着运营商加强现有的星座和发射具有更大数据容量的第二代卫星，近地卫星的发射快速蹿升。欧洲咨询公司预测在下个10年内，全球将有120次发射，从2007年的11次升到2011年的28次[6]。

因此，可以看出近地轨道数量虽多，但是随着航天产业的发展，对近地轨道的需求也越来越广泛。为避免不必要的频率干扰和“撞车”，卫星在轨道上运转需要存在一定间隔，这样更加加剧了轨道数量的有限性。

就中地轨道而言，存在一个范·艾伦辐射带(Van Allenbelts)。该辐射带分为两个辐射带，即内、外辐射带，离地球较近的辐射带称为内辐射带，高度在1—2个地球半径之间;距离地球较远的称为外辐射带，高度在3—4个地球半径之间。内外辐射带的高度大约从2000千米到20000多千米之间。辐射是由地球磁场捕获来自太阳风的高能粒子而形成的。辐射带中含有大量的高能质子和电子。这样的辐射粒子漩涡对卫星的太阳能帆板、集成电路、传感器造成伤害，可对宇航员的DNA造成损害。因此，为抵御辐射粒子的侵扰和破坏，卫星造价成本比较高。所以，除了少数通讯卫星，如“奥德赛”卫星系统(高度10354千米，由12颗卫星，分布在倾角55°的3个轨道平面上)、ICO卫星系统(高度10355千米，由10颗卫星组成，分布在2个轨道平面上)外，主要分布为导航定位卫星，如美国的GPS、欧洲的“伽利略”、俄罗斯的“格洛纳斯”和中国的“北斗”系统。

目前，科学家利用相关设备，如气球、卫星等对范·艾伦辐射进行深入研究，探究此辐射对卫星的影响，以及采取应对策略，为未来的卫星在中轨道上的利用开辟道路。也就是说，目前中高轨道利用存在一定风险，在人类尚未完全了解其对航天器与航天员造成何种损害之前，对其利用是有一定限度的。

如果说上述两个轨道资源有限，那么地球同步轨道资源更是稀缺。如同前述，一颗地球同步轨道上的卫星可以覆盖地球三分之一，三颗这样的卫星可以覆盖全球(地球同步静止卫星不能覆盖地球南北两极)。因为卫星只有在近36000千米高度上运转才能够与地球自转“同步”。也就是说这个高度是“唯一”的，这完全不同于近地轨道或中高轨道。在这两个轨道上，理论上可以任意选择卫星运行的轨道高度。但要想卫星与地球的运转“同步”，卫星必须定轨于唯一的高度。如前所述，地球同步轨道可分为倾斜同步轨道和极地同步轨道、地球同步静止轨道。如果说倾斜同步轨道，可以通过倾斜不同的角度，有相对宽松的选择余地的话，那么地球同步静止轨道无法选择，因为卫星轨道的倾角为0°。按照目前的技术条件，即受天线接收能力限制，地球同步静止轨道上两个卫星使用相同频段覆盖相同或相近的服务区，其间隔至少在1.5°(更早的时间要3°，后来降至2.5°、2°)，地球站才能区分开不同卫星的信号实现正常的工作。因此，在整个地球同步静止轨道上的同频段卫星不会超过240颗。这仅仅是理论上讲的。更何况在大洋上空的弧段并不完全适合陆地使用，这样，同频段卫星更少。这样“密集”安置卫星，不可避免产生干扰。

正因为其稀缺，各国都争相争夺对地静止轨道位置，目前各国申报此类轨道位置的卫星网络达到2600多个[7]。

从理论上讲，在上述的三种轨道位置上，如果卫星寿命到期，能够从原有轨道位置上移走，这个轨道还是可以重复使用的，但现实不是这样的。因为各种原因，有许多寿命终结的卫星不能或无法从其原来的轨道上移走，限制了新卫星进入，轨道资源成为不可再生的资源。更重要的是，负责轨道位置分配的国际电信联盟在卫星轨道和频率程序上存在的机制漏洞，人为加剧了轨道位置的有限性与稀缺。这一点，将在后面论述。

[1] 岁差，是指地轴绕着一条通过地球中心而又垂直于黄道面的轴线的缓慢圆锥运动，周期为26000年，由太阳、月球和其他行星对地球赤道隆起物的吸引力所造成，结果是春分点逐渐向西移动。岁差就是年差，就是恒星年与回归年的时间之差。通俗地说，地球类似于陀螺，绕地轴自转。因为陀螺两边所受重力不平衡而摇动，因此陀螺旋转时不一定精确地平行于地面转动。地球也是如此，这就造成了“岁差”。参见百度“岁差”条目。http://baike.baidu.com/view/37628.htm。

[2] 相位(phase)，描述讯号波形变化的度量，通常以度(角度)作为单位，也称作相角。当讯号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360°。常应用在科学领域，如数学、物理学等。见维基百科“相位”条目。

[3] 中国百科网，“卫星星座”。http://www. chinabaike. com/article/96/401/2007/20070531119340.html。

[4] 中国百科网，“卫星星座”。http://www. chinabaike. com/article/96/401/2007/20070531119340.html。

[5] 具体内容，详见下一章内容。

[6] Michael A. Taverna，“Satellite Analysts Predict Accelerating Satellite Industry Recovery，”Aviation Week And Space Technology，Feb18，2007。转引自Ram Jakhu，Legal Issues of Satellite Telecommunications，The Geostationary Orbit and Space Debris，Astropolitics， Vol. 5，No.2，2007，p.177.

[7] 李建欣:“强化频率和轨道资源管理，促进卫星应用产业健康发展”，《世界电信》2010年第6期。