高中地理里的“多軌道衛星”知識匯總

這塊知識是湖北新高考中比較偏愛考察的一個很小的知識點，最近有粉絲投稿，想講一講這里，今天來詳細說一下高考中常見的一些多軌道衛星知識！

基于軌道的 5 種主要衛星類型是：
低地球軌道 (LEO)
中地球軌道 (MEO)
地球靜止軌道 (GEO)
太陽同步軌道（SSO）
地球靜止轉移軌道 (GTO)

【LEO】

低地球軌道（Low Earth Orbit），即LEO，又稱為“近地軌道”，是一個以地球為中心的軌道，其高度在500-2000公里（約為地球半徑的三分之一），或每天至少有11.25個周期（軌道周期為128分鐘或更短），偏心率小于0.25。空間的大部分人造物體都在LEO上。這意味著每天最多可以環繞地球 16 圈。這使得它們特別適合所有類型的遙感、高分辨率地球觀測和科學研究， 因為數據可以快速獲取和傳輸。

迄今為止，所有載人空間站，以及大多數衛星，都在LEO。從1968年到1972年，阿波羅計劃的登月任務把人類送到了LEO以外的地方。自從阿波羅計劃結束以來，沒有人在LEO以外的太空飛行。

低地球軌道對衛星的安置所需的能量是最低的。它提供高帶寬和低通信延遲。在低地球軌道上的衛星和空間站更便于宇航員和服務人員使用。

由于將衛星送入低軌衛星所需的能量較少，而衛星成功傳輸所需的放大器功率較小，因此低軌衛星被用于許多通信應用，如星鏈計劃。

然而，低軌衛星的瞬時視場很小，每次只能觀測地球的一小部分并與之通信，這意味著需要一個“星座”來提供連續的覆蓋；低軌衛星的軌道衰減速度也很快——它需要周期性地軌道提升以維持穩定的軌道，或者在舊衛星再入大氣時更換替代衛星。

【GEO】

中高度地球軌道（Medium Earth Orbit, MEO），亦稱為中間圓形軌道（intermediate circular orbit, ICO），指這樣一種軌道：該類軌道所構成的區域，為一個半徑處于低地球軌道（LEO，海拔2000km）和地球同步軌道（GSO，海拔35786km）之間圓環帶。通常高度約為5000至20000公里。具備定位和導航服務，如GPS。由于軌道周期較長（通常在 2 到 12 小時之間），與低地球軌道航天器相比，MEO 航天器覆蓋全球所需的設備更少， 但時延更長，信號更弱。

在中高度軌道運行的其他衛星，包括格洛納斯星座（Glonass，海拔19100km）和伽利略星座（Galileo，海拔23222km）此外，覆蓋南北極的通信衛星也采用MEO運行。

中軌道衛星兼具靜止軌道和低軌道地球衛星的優點，可實現真正的全球覆蓋和更有效的頻率復用。其缺點是需要部署大量的衛星，衛星的組網技術和控制切換等比較復雜，投資高，風險大。

【GEO】

地球靜止軌道 (GEO) 衛星

地球靜止軌道上的航天器位于地球表面上方 35,786 公里處， 正好在赤道上方。GEO 中三臺均勻分布的機器幾乎可以覆蓋全球， 這要歸功于它們在地球上覆蓋的巨大區域。GEO 中的物體在地面上看起來是靜止的， 它們的軌道周期與地球的自轉周期相同， 即23 小時 56 分 4 秒。這允許地面天線始終指向空間中的同一設備。

【SSO】

太陽同步軌道（SSO, Sun-synchronous orbit, or heliosynchronous orbit）是環繞在地球外部的一種近極地軌道。從技術上講，它是一種進動周期等于地球公轉周期的軌道，所以其經常和太陽保持相同的關系。

太陽同步軌道型衛星在地球上空600至800公里的高度從北向南穿越極地。傾角大致98°。

【GTO】

地球靜止轉移軌道 (GTO) 衛星：最常見的衛星轉移軌道類型是地球靜止軌道， 用于從過渡軌道轉移到地球靜止軌道。

地球同步轉移軌道(geostationary transfer orbit，GTO)是霍曼轉移軌道的運用之一，為橢圓形軌道，經加速后可達地球靜止軌道(GEO)，是指近地點在1000公里以下、遠地點為地球同步軌道高度（約36000公里）的橢圓軌道。

同步衛星的運作軌道為地球靜止軌道，由地球同步轉移軌道至地球靜止軌道轉換工作多由衛星自身動力進行，衛星在地球同步轉移軌道的遠地點附近變軌時，需要增加速度及改變速度的方向。在火箭性能方面，常以地球同步轉移軌道酬載能力作為指標，該酬載能力較直接運送至地球靜止軌道的數值為大。以德爾塔IV型重型火箭為例，其GTO運載能力為12,757公斤，而GEO運載能力僅為6,276公斤。

【IGSO】

傾斜地球同步軌道

傾斜地球同步軌道（Inclined Geosynchronous orbit，簡稱 IGSO），又名GIO，高度與GEO(Geostationary Orbit)相同，都是35700km（我國北斗系統部分衛星就用該軌道，軌道高度約35786km），但是GEO的軌道傾角是0度，而IGSO的軌道傾角是大于0度的任何軌道（我國的北斗系統為55度）。

即軌道傾角i≠0°的地球同步軌道，其星下點軌跡是一條“8”字形的封閉曲線，中國北斗衛星導航系統的其中三顆衛星位于55°傾角的傾斜地球同步軌道。

【做個題再走】
中國空間站在距離地表約400千米的接近北極方向的正圓軌道上運行，繞地球一圈約90分鐘。空間站軌道平面與赤道平面的夾角約42°（如圖所示）。據此完成下面小題。

1．在中國空間站上，航天員一天能看到日出的次數是（ ）

A．4次 B．8次 C．16次 D．24次

2．下列城市中，中國空間站不能飛越其正上空的是（ ）

A．北京 B．上海 C．新加坡 D．莫斯科

2021年9月27日14時19分，快舟一號甲固體運載火箭在甘肅酒泉衛星發射中心（100°E）點火升空，將吉林一號高分02D衛星送入650千米的預定軌道。吉林一號高分02D衛星是一顆高分辨率光學遙感衛星，完成下面小題。

3．吉林一號高分02D衛星（ ）

A．主要能量來源是太陽輻射能

B．工作中面臨的最大威脅是多變的天氣

C．其繞地運行的線速度比地球自轉的線速度小

D．所處的最低一級的天體系統是太陽系

4．發射時（ ）

A．全球與酒泉處于同一日期的范圍是大于1/2

B．北京的觀眾可以在15時19分收看同步直播

C．發射場地物的日影正朝向東南方向

D．太陽高度角達到一天中最大

5．與海南文昌發射基地相比，甘肅酒泉發射基地（ ）

A．白晝更長

B．正午太陽高度角更大

C．自轉線速度更大

D．晝夜變化幅度更大

北斗衛星導航系統由地球靜止軌道（GEO，定點于赤道上空3.6萬千米）、傾斜地球同步軌道（IGSO，軌道高度3.6萬千米、軌道傾角為55°、周期24小時）、中圓地球軌道（MEO，軌道高度2萬千米、軌道傾角為55°、周期12小時）三種軌道衛星組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務。衛星軌道高度、仰角（衛星與觀察者所在處的地平線之間的夾角），會對其覆蓋區域的定位精度造成影響。下圖示意北斗衛星導航系統衛星組成。據此完成下面小題。

6．GEO、IGSO、MEO衛星運行軌跡在地球上的投影依次為（ ）

A．一個點、“8”字形、波浪形

B．一個點、波浪形、“8”字形

C．“8”字形、一個點、波浪形

D．波浪形、一個點、“8”字形

7．與IGSO衛星和MEO衛星相比，GEO衛星在北京的最大仰角（ ）

A．更小，信號受大氣影響更小

B．更小，信號受地面反射更多

C．更大，信號受大氣影響更大

D．更大，信號受地面反射更少

8．巴基斯坦、印尼、柬埔寨等國率先使用了我國的北斗系統是因為，在亞太地區北斗衛星（ ）

A．定位性能更優

B．軌道傾角較大

C．覆蓋區域最廣

D．軌道高度較低

答案：

1．C 2．D

【解析】1．觀測者在地球上，24小時內經歷1次晝夜，可觀測到1次日出；中國空間站繞地球一圈約90分鐘，即約1.5個小時，因此24小時內經歷16次晝夜，能看到16次日出，C正確，ABD錯誤。故選C。

2．由由材料可知，空間站軌道平面與赤道平面的夾角約42°，說明空間站可飛越的區域在南北緯42°之間。由于地球自轉周期是1日（24小時），空間站繞地球一圈約90分鐘，空間站繞地球運行的周期與地球自轉周期不同，因此在長期運行過程中，空間站可飛越南北緯42°之間所有區域的正上空。北京的緯度約為40°N，上海的緯度約為31°N，新加坡的緯度約為1°N，莫斯科的緯度約為56°N，四個城市中只有莫斯科的緯度不在南北緯42°之間，因此空間站不能飛越莫斯科正上空，D符合題意，ABC不符合題意。故選D。

【解析】3．衛星的主要能量來源是太陽能，通過衛星上的太陽能電池板轉化為電能，A正確；天氣多變的是大氣的對流層，650千米的高空大氣極其稀薄，沒有天氣變化，B錯誤；衛星繞地運行的線速度因為旋轉半徑大，線速度比地球的大，C錯誤；衛星繞地球飛行所處的天體系統是地月系，比太陽系級別低，D錯誤。故選A。

4．順著地球自轉的方向，從0點所在經線到180°經線是地球上新的一天的范圍，發射時北京時間為9月27日14時19分，據此計算出此時0時經線大約位于95°W，甘肅酒泉衛星發射中心位于100°E，故酒泉位于新的一天（即27日）且新的一天范圍大于1/2，A正確；我國統一采用的標準時間是北京時間，故北京的觀眾可以在14時19分收看同步直播，B錯誤；發射時，酒泉發射場（100°E）的地方時為12:59，此時太陽已經到了西南方天空（該日為9月27日，酒泉該日日視運動軌跡為日出東南，正午太陽位于正南方天空，日落西南），故地物的日影正朝向東北方向，C錯誤；發射時，當地不在正午，故太陽高度并未達到一天中最大，D錯誤。故選A。

5．海南文昌發射基地位于酒泉發射基地的南部，緯度更低，冬半年文昌發射基地的白晝時間更長，夏半年酒泉發射基地的白晝時間更長，A錯誤；正午太陽高度角由太陽直射點所在緯度向南北兩側遞減，離太陽直射點的緯度越近，正午太陽高度越大，該日直射點位于南半球，海南文昌發射基地離太陽直射點的緯度更近，其正午太陽高度角更大，B錯誤；自轉線速度由赤道向兩極遞減，海南文昌發射基地更靠近赤道，緯度更低，其線速度更大，C錯誤；緯度越低，晝夜變化幅度越小，文昌緯度更低，晝夜變化幅度更小，酒泉晝夜變化幅度更大，D正確。故選D。

【解析】7．GEO衛星定點于赤道上空，理論上星下點軌跡（即衛星運行軌跡在地球上的投影）是一個點，因其運動周期與地球自轉周期相同，相對地面保持靜止，所以稱作地球靜止軌道衛星。IGSO衛星，與GEO衛星軌道高度相同，運行周期也與地球自轉周期相同，但其運行軌道面與赤道面有一定夾角，所以稱作傾斜同步軌道衛星。IGSO衛星星下點軌跡呈現“8”字形。全球衛星導航系統星座多由MEO衛星組成，運行軌道在約2萬公里高度軌道。MEO衛星像極了不知疲倦的小萌娃，在自己的跑道上繞著地球一圈又一圈地奔跑，星下點軌跡不停地畫著波浪線，以便覆蓋到全球更廣闊的區域，A正確，排除BCD。故選A。

8．因GEO衛星為定點于赤道上空的靜止衛星，GEO衛星在北京的仰角不變，小于90°；IGSO衛星和MEO衛星在北京的仰角不斷變化，因其能從北京上空越過，所以在北京最大的仰角可達90°。因此GEO衛星在北京的最大仰角偏小，信號穿過大氣層的路程更長，被大氣削弱得越多，同時信號受地面反射更多，B符合題意。故選B。

9．三種軌道衛星在巴基斯坦、印尼、柬埔寨等國的仰角均較大，且有衛星軌道高度較低的MEO越過其上空，接收到的信號更強，定位性能更優，A正確，排除BCD。故選A。

【注】

北斗衛星

GEO衛星

IGSO衛星

MEO衛星

名稱

地球靜止軌道衛星

傾斜地球同步軌道衛星

中圓軌道衛星

昵稱

吉星

愛星

萌星

軌道高度

3.6萬公里左右

3.6萬公里左右

2萬公里左右

星下點軌跡

投影一個點

鎖定區域畫8字

繞著地球畫波浪

個性特點

深情專一：始終定點凝望

善于協作：覆蓋區域的中堅

靈活多動：環繞全球運行