冻原轨道

✍ dations ◷ 2025-11-21 01:58:17 #冻原轨道

冻原轨道，或称苔原轨道，（俄语：Орбита «Тундра»，英语：tundra orbit）是一种有着较高倾角（苏联使用的通常约 63.4°）、高椭圆的地球同步轨道，轨道周期为一恒星日（比太阳日少约 4 分钟）。这种轨道上的人造卫星会在大部分时间里处于地球上某个选定的区域中，这是被叫做“apogee dwell”（字面含义为“远地点驻留”）的现象。冻原轨道的卫星的地面轨迹为一个闭合的“8”字形。

冻原轨道和闪电轨道使用 ${textstyle arcsin {sqrt {frac {4}{5}}}approx 63.43^{circ }}$ ${textstyle arcsin {sqrt {frac {4}{5}}}approx 63.43^{circ }}$ 的轨道倾角可以消除因为赤道隆起引起的近地点长期摄动。对于其他不是 63.43°的倾角，近地点会稳定改变，远地点亦随之离开最高纬度。

一个典型的冻原轨道有以下特性:

因为赤道隆起对卫星近地点幅角( ${displaystyle omega }$ $omega$ )产生扰动，使其随时间逐渐变化。除非不断使用推进剂保持轨道，如果只考虑一阶系数 ${displaystyle J_{2}}$ ${displaystyle J_{2}}$ ，近地点将按照公式（1）变化。

${displaystyle {dot {omega }}={frac {3}{4}};nJ_{2}left({frac {R_{E}}{a}}right)^{2}{frac {4-5sin ^{2}{i}}{left(1-e^{2}right)^{2}}}}$ ${displaystyle {dot {omega }}={frac {3}{4}};nJ_{2}left({frac {R_{E}}{a}}right)^{2}{frac {4-5sin ^{2}{i}}{left(1-e^{2}right)^{2}}}}$

(1)

其中 ${displaystyle i}$ $i$ 是轨道倾角， ${displaystyle e}$ $e$ 轨道离心率， ${displaystyle n}$ $n$ 平均每天的运动度数， ${displaystyle J_{2}}$ ${displaystyle J_{2}}$ 是扰动因子， ${displaystyle R_{E}}$ $R_{E}$ 是地球半径， ${displaystyle a}$ $a$ 是半长轴， ${displaystyle {dot {omega }}}$ ${displaystyle {dot {omega }}}$ 是每日度数。

为了避免这种燃料消耗，冻原轨道使用了63.4°的倾角，这使得 ${displaystyle left(4-5sin ^{2}iright)}$ ${displaystyle left(4-5sin ^{2}iright)}$ 的为零，近地点的位置就不会随时间变化:143。这被称为临界倾角，以这种方式设计的轨道被称为冻结轨道。

轨道离心率根据所需停留时间而选择，并改变地面轨迹的形状。冻原轨道的离心率一般为0.2左右；离心率为0.4左右的轨道，地面轨迹将从8字形变为水滴形，被称为超级冻原轨道。

2000年到2016年，天狼星卫星广播（现在是天狼星XM的一部分），在冻原轨道上运营一个由三颗卫星组成的卫星星座，用以卫星广播。每颗卫星的升交点经度和平近点角被设置相差120°，这样当一颗卫星移动出位置时，另一颗卫星已经通过近地点并准备接替该卫星工作。该星座的开发是为了广播能更好地到达北半球更高纬度地区的消费者，减少都市峡谷的影响，并且只需要130个中继器，而地球静止轨道系统则需要800个。在天狼星与XM合并后，它将FM-6替代卫星的设计和轨道从冻原轨道改为地球静止轨道。作为已经在地球静止轨道上的FM-5（2009年发射）的补充，2016年，天狼星停止了从冻原轨道的卫星广播。天狼星卫星曾经是唯一使用冻原轨道的商业卫星。

日本的准天顶卫星系统使用的是类似于冻原轨道的地球同步轨道，但倾角只有43°。系统包括四颗采用相同地面轨道的卫星，从2010年开始测试，并从2018年11月起全面运行。

冻原轨道已被欧空局的阿基米德项目考虑使用，这是一个在1990年代提出的广播系统。

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