常见航天器轨道的简单介绍
简单介绍下12种常见的航天器轨道，重点介绍太阳同步轨道和地球同步轨道：
近地轨道（Low Earth orbit，简称LEO）
太阳同步轨道（Sun-synchronous orbit，简称SSO）
中地球转移轨道（Medium Earth Transfer orbit，简称MTO）
中地球轨道（Medium Earth orbit，简称MEO）
高椭圆轨道（Highly elliptical orbit，简称HEO）
地球同步转移轨道（Geostationary Transfer orbit，简称GTO）
超同步转移轨道（Super-Synchronous Transfer orbit，简称SSTO）
地球同步轨道（Geosynchronous orbit，简称GSO）
倾斜地球同步轨道（Inclined Geosynchronous orbit，简称 IGSO）
地球静止轨道（Geostationary orbit，简称GEO）
地月转移轨道（Trans-Lunar injection，简称TLI）
地火转移轨道（Trans-Mars injection，简称TMI）
（一）近地轨道
近地轨道（Low Earth orbit，简称LEO），指航天器距离地面高度较低的轨道。近地轨道没有公认的严格定义。一般轨道高度在2000km以下的近圆轨道都可以称之为近地轨道。
在近地轨道上仍有稀薄的大气，航天器会受到微弱的大气阻力，运行轨道的高度会逐步衰减，其中500km以下最为明显，为了使航天器能长期在设计的高度上运行，航天器需要定期或不定期进行轨道维持。
典型航天器：载人飞船、空间站、对地观测卫星以及一些新型通信卫星系统等。
（二）太阳同步轨道
太阳同步轨道（Sun-synchronous orbit，简称SSO），又称近极地太阳同步轨道，典型的太阳同步轨道高度大约是600-800km，周期在96-100分钟范围，倾角大致在98°附近，以满足任务需要。其轨道平面始终与太阳保持固定的取向，轨道平面自西向东保持0.9856°/天的进动，轨道平面绕地球自转轴旋转的方向与地球公转方向相同。
典型航天器：气象卫星、光学遥感卫星等。
太阳同步轨道每天0.9856°谜之进动的原因：
简单地说就是由于地球并不是个完美的球体。地球由于自转而成扁球体, 在赤道部分呈隆起状态，另外其质量分布也不均匀，这些都对航天器产生额外的引力，使其轨道平面在惯性空间中不断变动。
航天器的轨道参数总共六个，分别是确定轨道位置的倾角（i）、升交点赤经（Ω）、近地点幅角（w），决定轨道形状的偏心率（e）、半长轴长度（a）和过近地点时刻（τ）。
地球引力场非中心项摄动对卫星的倾角、半长轴长度、偏心率没有任何影响，主要影响是产生轨道面进动，其次是产生椭圆轨道面长轴的旋转（后面闪电轨道会再次讲到）。
轨道面进动方程，用升交点赤经Ω的变化率表示，ae为地球半径，J2项表征地球的扁率，常称为地球扁率摄动，J2值为1.08263×10∧-3，J2项是主要项即：
怎么理解呢？当轨道倾角i>90°时，地球赤道的隆起对卫星产生了额外的吸引力，相当于给轨道平面附加了1个力矩，转动物体受到垂直于其自转轴的外力矩作用时，其自转轴便向外力矩的正方向靠拢，就形成轨道平面进动。但进动方向与轨道倾角有关，下图中，卫星从东北飞向西南的时候，在赤道上方是被活生生往东南方向拽的，见绿色箭头，因此产生轨道面的向东进动。而当i=90时，卫星轨道和地球赤道鼓涨的引力重叠，因此也就无法产生轨道面进动。当i<90时，轨道面向西进动。
适当调整卫星的倾角和轨道高度、偏心率，可使卫星轨道平面的进动角速度每天东进0.9856°，恰好等于地球绕太阳公转的日平均角速度。令上式Ω=0.9856，并将J2=1.08263×10-3数值代入，得到应用价值极大的圆形太阳同步轨道倾角公式：
由该式可知，在圆轨道时，倾角最大为180°，所以太阳同步轨道的高度不会超过6000km。
太阳同步轨道倾角i和高度a、偏心率e关系如下图：
典型的太阳同步轨道高度为600-800km，周期为96-100分钟，根据不同的偏心率，轨道倾角大致在98°附近。
具体太阳同步轨道高度，要根据星载遥感器地面幅宽需求进行选取。如果太阳同步轨道为96分钟的轨道周期，选择合适的高度，让两次遥感地面宽幅无缝拼接，卫星在一天中连贯的十五次扫描中可以把地球扫个遍（高纬度，可能要受到轨道倾角的影响，成为部分无价值的盲区）。
另外，选择太阳同步轨道，能保证卫星每天在特定的时刻经过指定地区，即以相同方向经过同一纬度时的当地时间（地方平太阳时）相同。因此卫星在经过同纬度地时是有相近的光照条件，在可见光或红外线波长上有着一致光源的地球影像，从而得到高质量的地面目标图像。
子/午轨道是一种特殊的太阳同步轨道，每一圈都会在地方时的子夜或中午时分穿越赤道；晨/昏轨道则是在日出或日落时分穿越赤道，其轨道平面接近晨昏线。晨/昏轨道上的航天器可以全天时受到太阳光照，完美契合主动雷达卫星的工作需要。对于一些测量结果会受到光照影响或限制的被动仪器，晨/昏轨道也可以让仪器始终背光。
（三）中地球转移轨道
中地球转移轨道（Medium Earth Transfer orbit，简称MTO），为霍曼转移轨道的运用之一。近地点多在1000km以下，远地点介于2000km到35786km之间。一般而言，中地球转移轨道的近地点高度并无特别限制，但通常不超过400km，以降低ΔV(增速量)的需求。
中地球转移轨道一般只作为中地球轨道的过渡轨道。
（四）中地球轨道
中地球轨道（Medium Earth orbit，简称MEO），轨道高度介于2000km到35786km之间。美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统、欧盟伽利略系统和中国北斗系统均使用了20000~24000km的约55°倾角的中地球轨道。
（五）高椭圆轨道
高椭圆轨道（Highly elliptical orbit，简称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35786km。这种轨道的卫星对远地点下方地面区域的覆盖时间可以超过12小时。这种特点能够被通信卫星所利用。
最为著名的是闪电轨道（Molniya orbit），又称莫尼亚轨道，其原始用途是供前苏联闪电通信卫星使用，以解决高纬度地区的军用和民用通信广播需求。相较于地球静止轨道，发射卫星到闪电轨道所需的能量较小。不过缺点是地面站需要一个可调整方向的天线来追踪卫星，且卫星会频繁通过有高能辐射的范艾伦辐射带。
由于地球扁率引起轨道长轴在轨道面内的进动。转动角速率用近地点幅角的变化率表示。在倾角小于63.4°或大于 116.6°时，近地点幅角均匀增加。在63.4°与116.6°之间时，均匀减小。等于63.4°或116.6°时，不转动。63.4°和116.6°称为临界倾角，苏联的“闪电”号通信卫星倾角选为临界角，避免了远地点位置的移动，使得远地点始终在苏联领土上空，保持苏联国内通信时间较长。
（六）地球同步转移轨道
地球同步转移轨道（Geostationary Transfer orbit，简称GTO），霍曼转移轨道的运用之一。近地点多在1000km以下，远地点为35786km。一般而言，地球同步转移轨道的近地点高度并无特别限制，但通常不超过400km，以降低ΔV(增速量)的需求。
地球同步转移轨道一般只作为地球同步轨道的过渡轨道。
（七）超同步转移轨道
超同步转移轨道（Super-Synchronous Transfer orbit，简称SSTO），指远地点远大于35786km的一种特殊的地球同步转移轨道。
前几天发射升空的亚太6C卫星也是进入了超同步转移轨道（239×41827km）。
SSTO和普通的GTO不同点是远地点远大于普通GTO的35786km。SSTO的优点是可以节省航天器变轨到GEO所需的燃料，以延长航天器的使用寿命。缺点是运载火箭需要给航天器提供更高的速度，所以运载能力有所下降，而且位置精度也受到一些影响。
卫星从SSTO变轨到GEO可节省燃料有两个方面原因：
一般而言，由于GTO倾角不为0，所以从GTO到GEO的变轨属于非共用变轨，速度的大小和方向都改变，燃料消耗较多。而速度越低，则变轨需要的能量消耗也越小；因为航天器在远地点时的速度最小，而且远地点离地球越远时的速度越小。航天器在SSTO的离地球很远的远地点进行变轨，改变轨道倾角可大幅节省燃料。
如不考虑轨道倾角改变，单纯就速度大小而言，SSTO需要两次变轨，一次在远地点加速，提高近地点高度到GEO的35786km，第二次在新的近地点减速，使远地点高度下降到GEO的高度。
（八）地球同步轨道
地球同步轨道（Geosynchronous orbit，简称GSO），轨道周期等于地球的自转周期为1恒星日（23小时56分4秒），轨道高度为35786km，轨道倾角i<90°。当轨道倾角i=0°时，卫星与地面的相对位置保持不变，则称为地球静止轨道。
地球同步轨道的推导：
（九）倾斜地球同步轨道
倾斜地球同步轨道（Inclined Geosynchronous orbit，简称 IGSO），即轨道倾角i≠0°的地球同步轨道，其星下点轨迹是一条“8”字形的封闭曲线，中国北斗卫星导航系统的其中三颗卫星位于55°倾角的倾斜地球同步轨道。
（十）地球静止轨道
地球静止轨道（Geostationary orbit，简称GEO），即轨道倾角i=0°的地球同步轨道，卫星与地面的相对位置保持不变。主要用于通信、对地观测、导航、预警、气象等民用和军用卫星。
地球静止轨道是地球同步轨道的一个特例，二者之间有一些区别，地球同步轨道卫星每天会在同一时间经过同一地点，而地球静止轨道卫星则相对地面静止。
地球静止轨道只分布在赤道上空大约35786km的高度，在这个高度上轨道线速度为3.07km/s，轨道周期与地球自转周期一致。因此，地球静止轨道只有一条。
轨道稳定性：
首先是受到日月引力和地球扁率的叠加影响，其轨道平面会不断发生进动。轨道进动周期约为53年，轨道倾角的初始变化率约为0.85°/年，每过26.5年其轨道倾角就会达到最大值15°。为了修正这一轨道摄动，航天器需要定期或不定期进行轨道维持，每年用于修正轨道的ΔV(增速量)大约为50m/s。
第二个要考虑的是定点经度的漂移，这是由于地球赤道并非正圆而是一个椭圆。地球静止轨道上有两个稳定的平衡点（75.3°E和104.7°W）和两个不稳定的平衡点（165.3°E和14.7°W）。位于平衡点之间的航天器，在没有任何机动的情况下，会缓慢朝着两个稳定的平衡点漂移，这导致了定点经度的周期性变化，为了修正经度漂移效应，地球静止轨道航天器每年需要大约2m/s的ΔV(增速量)来维持定点经度。
太阳风和光压也会对航天器产生微小的作用力，随着时间推移，航天器也会逐渐漂移。
在缺乏来自地球的维护和燃料补加的情况下，航天器所携带的用于修正轨道的燃料限制了其使用寿命。近几年新型通信卫星比较流行的纯电推进系统和混合推进系统，其使用的是一种更高效的霍尔效应推力器，航天器携带的燃料可以降低到15%以下，显著提升航天器有效载荷。
（十一）地月转移轨道
地月转移轨道（Trans-Lunar injection，简称TLI），一般指从加速离开地球到近月制动为止的轨道段，是从地球到月球消耗能量最小的轨道。以地球为参考点，其轨道形状大致呈不闭合的“S”形。
（十二）地火转移轨道
地火转移轨道（Trans-Mars injection，简称TMI），一般指从加速离开地球到近火制动为止的轨道段，是从地球到火星消耗能量最小的轨道。
离开地球前是一条双曲线轨道，离开地球后则是环绕太阳的霍曼转移轨道。