人类航天器常见轨道一览

随着近年来人类航天活动越来越频繁，今年的全球航天发射次数有望突破 300 大关，那这样的发射次数是按什么标准统计的呢？另外，在讨论火箭的运载能力时，往往会说近地轨道（LEO）有效载荷多少吨、地球同步转移轨道（GTO）有效载荷多少吨，那这些轨道具体有哪些用处，高度又是多少呢？我们今天就来仔细聊聊。

航空航天领域中有一个比较基础的概念：卡门线。卡门线是一个试图定义外太空与地球大气层之间的分界线，如果一个航天器越过了卡门线的高度并完成绕地球一周飞行（速度达到第一宇宙速度，7.9 公里/秒），那基本上就认为是一次轨道级发射，前面提到的航天发射次数就是按这个标准统计的。如果航天器没有达到上述条件，仅仅是越过卡门线，那只能认为是一次亚轨道飞行，通常用于科研任务、太空旅游或军事目的。如果连卡门线都没有越过，那一般认为是一次普通的航空飞行。

目前国际航空联合会（FAI）和国际宇航联合会（IAF）认定的卡门线高度为 100 公里，但是也不是所有组织都接受，比如美国空军和 NASA 就按 80 公里高度算。之所以叫卡门线是为了纪念匈牙利裔美国工程师和物理学家西奥多·冯·卡门（Theodore von Kármán，喷气推进实验室创始人之一，也是我国两弹一星元勋钱学森、郭永怀在加州理工学院的博士导师），他首次计算出了航空飞行器的理论高度极限，这个极限高度大约为 83.6 公里，在这个高度，由于空气过于稀薄，飞行器的速度必须比第一宇宙速度快很多，才能获得足够的升力来支撑自身重量。另外，这个高度处于地球大气的热层底端，空气和燃料难以充分混合，普通的航空发动机也无法正常工作。

我们可以来尝试简单估算一下卡门线高度范围，以战斗机为例，其机翼产生的升力公式为：

这里  为空气密度， 为速度， 是机翼面积， 是升力系数。我们先通过国际标准大气数据表可知离地面 51 公里的大气层密度数据 ，假定战斗机可以以第一宇宙速度进行飞行，那么我们可以测算一下机翼产生的升力 、离心力  和战斗机重力  的对比，这里我们可以取 ，战斗机质量为 25000 kg，另外地球平均半径为 6371 公里，那么计算可得：

可见在这个高度，空气动力学产生的机翼升力依然占大头，也就是说，卡门线的分界点应该比 51 公里更大，到了空气密度更小的高度，空气动力学产生的机翼升力不能成为维持高度的主要来源了，我们就可以认为进入了外太空。

本文我们主要按高度对常见的地球轨道进行分类，也可以按轨道的倾斜度、方向、偏心率或者同步性进行分类。

低、中、高地球轨道比例示意图

低地球轨道（LEO）

低地球轨道（Low Earth Orbit）通常又被称为近地轨道，近地轨道没有公认的严格定义。一般高度在 2000 公里以下的近圆形轨道都可以认为是近地轨道，其运行周期在 128 分钟以内。由于近地轨道卫星离地面较近，绝大多数对地观测卫星、测地卫星、空间站以及一些新的通信卫星系统都采用近地轨道。比如中国空间站（ISS），就运行在 389.1 公里的近圆形轨道上，轨道速度为 7.67 公里/秒，每 92.3 分钟绕地球一圈。

从神舟十六号上拍摄的中国空间站，所在轨道为近地轨道。

近地轨道仍然会受到大气层的空气阻力影响，虽然很微弱，但会导致轨道高度不断衰减，因此近地轨道航天器的高度一般不会低于 300 公里，否则维持轨道高度的代价会比较大。相比高一点的轨道，比如地球同步轨道，把一枚卫星送入近地轨道所需的能量较少，而近地卫星仅需功率较低的放大器也可成功输送讯号，因此许多通讯项目使用了近地轨道。这些近地轨道不是与地球同步，所以需要一组卫星联网去提供连续的覆盖面。近地轨道也适合遥感卫星，因为可以取得更详细的资料。

除了上个世纪的阿波罗载人登月任务之外，目前还没有在近地轨道之外进行过载人航天飞行。另外由于人类发射频率的加快，近地轨道的太空垃圾也越来越多，根据 NASA 的数据，近地轨道上直径大于 10 厘米的物体超过 25,000 个，而 1 到 10 厘米之间的估计数量为 50 万个，大于 1 毫米的颗粒数量超过 1 亿个。

近地轨道中有一类轨道叫太阳同步轨道（SSO，Sun-synchronous Orbit），是一种使卫星能够几乎总是在相同的地方时间下经过同一地理位置的轨道。这是通过精确控制轨道倾斜角和高度来实现的，使得轨道面相对于地球表面缓慢旋转，一年全程与地球围绕太阳的公转速度相匹配。这种轨道通常用于地球观测卫星，因为它们可以在相同的地方时间持续监测到地球的特定区域，这对于获取一致的照明条件和比较数据非常重要。典型的 SSO 高度约为 600-800 公里，周期在 96-100 分钟范围内，倾角约为 98°。

显示太阳同步轨道（绿色）在一年中四个位置点的方向。非太阳同步轨道（洋红色）也显示供参考。

中地球轨道（MEO）

中地球轨道（Medium Earth Orbit）也称为中圆轨道（Intermediate Circular Orbit，ICO），是位于近地轨道（LEO，2,000 公里）和高地球轨道（HEO，35,786 公里）之间的人造卫星运行轨道。运行于中地球轨道的卫星大都是导航卫星，部分跨越南北极的通信卫星也使用中地球轨道。中地球轨道的卫星运转周期在 2 至 24 小时之间，但大部分在 12 小时左右。

对地球静止轨道、GPS、格洛纳斯、北斗导航系统、伽利略定位系统、国际空间站、哈勃望远镜和铱卫星的环绕轨道的比较，并附上了范艾伦辐射带和地球。

中地球轨道中有两类轨道特别重要，一类是 20,200 公里高的半同步轨道（Semi-synchronous Orbit），周期为 12 小时，像 GPS 使用的就是该轨道，另外其他卫星导航系统使用类似的轨道，比如北斗卫星导航系统（21,500 公里），格洛纳斯系统（19,100 公里），以及伽利略定位系统（23,222 公里）。

另外一类称之为闪电轨道，也可叫做莫尼亚轨道（Molniya Orbit），这是一种为倾角为 63.4 度的高椭圆轨道，轨道周期大约为 12 小时，近地点 600 公里左右，远地点高度约 39,700 公里。因自 1960 年起使用此轨道的前苏联闪电型通讯卫星而得名，这主要和前苏联的大部分领土位于高纬度地区有关。为了在北半球有连续的高覆盖率，闪电轨道上至少需要三个人造卫星，且卫星每天需通过有高能辐射的范艾伦辐射带四次，因此卫星上的设备必须要有抗噪声能力。

闪电轨道的示意图，在闪电轨道上的卫星在近地点后的 2 小时至 10 小时均位在北半球的上空。

地球同步轨道（GSO）

地球同步轨道（Geosynchronous Orbit），其轨道周期与地球自转周期一致，为 23 小时 56 分 4 秒。自转和轨道周期的同步意味着，对于地球表面的观察者来说，地球同步轨道上的物体经过一个地球日后，会返回到天空中完全相同的位置。在一天的时间里，该物体在天空中的位置可能保持静止或描绘出一条路径，通常呈 8 字形，其精确特征取决于轨道的倾角和偏心率。圆形地球同步轨道的恒定高度为 35,786 公里。

地球同步卫星环绕地球的情况

人类第一颗进入地球同步轨道的卫星是美国在 1963 年发射的 Syncom 2，它能够中继电视传输，并允许美国总统约翰·F·肯尼迪在船上给尼日利亚总理阿布巴卡尔·塔法瓦·巴莱瓦打电话。

地球同步轨道的一个特例是地球静止轨道（Geostationary Orbit，GEO），它是地球赤道平面上的圆形地球同步轨道，其倾角和偏心率都等于 0。在地面观测者看来，这样的航天器是在天空固定不动的。通信卫星和气象卫星一般运行在静止轨道，因此地面站天线只要对准卫星的定点位置就可以通讯，而不用转动天线。利用这个特点，把携带有可见光和近红外光传感器的海洋卫星发射到静止轨道上，这样就可以监测海洋环境的细微变化，比如 GOCI 卫星。

完全稳定的地球静止轨道是一个只能近似的理想状态，实际上，由于太阳风、辐射压力、地球引力场的变化以及月球和太阳的引力效应等扰动，卫星会偏离轨道，必须使用推进器维持轨道。

地球同步转移轨道（Geostationary Transfer Orbit，GTO）是将卫星从近地轨道（LEO）变轨到地球同步轨道或静止轨道（GSO/GEO），属于霍曼转移轨道的应用之一，同时 GTO 的有效载荷质量也是评估火箭运载能力的一个重要标准。

超同步转移轨道（Super-Synchronous Transfer orbit，SSTO），是指远地点远大于 35,786 公里的一种特殊的地球同步转移轨道。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。

高地球轨道（HEO）

高地球轨道（High Earth Orbit）是指运行高度完全高于地球同步轨道高度（GSO，35,786 公里）的地心轨道，此类轨道的轨道周期大于 24 小时，因此此类轨道中的卫星具有明显的逆行运动。HEO 中的卫星主要用于通信、导航、科学研究和军事应用，该轨道主要优点之一是它提供了几乎无障碍的地球和深空视野，这使其成为天文观测和地球监测的理想地点。此外，HEO 中的卫星可以提供对地球表面的连续覆盖，这使其在通信和导航应用中非常有用。

在讲述了主要的轨道分类后，我们再介绍一些目前航天器经常会使用的特殊轨道。

晕轨道

晕轨道（Halo Orbit）指的是一种靠近三体问题中拉格朗日点（又称平动点） L1、L2、L3 的周期性三维轨道，属于一种平动点轨道（Libration Point Orbit，LPO）。晕轨道存在于任何一个三体系统中，如日地系统或者地月系统，而每一个拉格朗日点都同时存在北晕轨道和南晕轨道。晕轨道相对稳定，比较适合中继通信和天文观测，比如中国在 2018 年发射的鹊桥号中继卫星是世界上首颗设计运行于地月拉格朗日 L2 点晕轨道的通信卫星，而目前詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）也运行在日地系统 L2 点的晕轨道上。

日地系统的五个拉格朗日点，晕轨道位置为 L1、L2、L3，这是三个不稳定平衡点，L4 和 L5 是两个稳定平衡点。

近直线晕轨道（Near-rectilinear Halo Orbit，NRHO）则是指的是靠近两个天体中较小的那个天体的晕轨道，一般来说是 L1、L2 两点晕轨道的子集。目前 NASA 在月球门户空间站以及阿耳忒弥斯三号任务中，均计划使用 NRHO 轨道，这在我另外一篇文章《中美登月竞赛，谁能胜出？》中也有提及。

月球门户空间站使用 NRHO 轨道的示意动画，中心天体是地球。

利萨如轨道

利萨如轨道（Lissajous Orbit）和晕轨道类似，也属于一种平动点轨道（LPO），它主要围绕拉格朗日点 L1 或 L2 运行，和晕轨道主要的不同在于，晕轨道是周期性的，而利萨如轨道不是。采用利萨如轨道的航天器轨迹往往形成一种复杂的三维图案，通常不是封闭的，也不如晕轨道稳定。

利萨如轨道因其能覆盖更广的区域而适用于某些科学探测任务，尤其是在需要环绕拉格朗日点进行广泛区域观测的场合。比如威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）、普朗克卫星、盖亚任务等均采用了日地系统拉格朗日 L2 点的利萨如轨道。

从地球视角看 WMAP 探测器的运动轨迹。

远距离逆行轨道（DRO）

远距离逆行轨道（Distant Retrograde Orbit）一般和月球任务关联，以绕月球运行的 DRO 中的航天器为例，航天器将以与月球绕地球运行的方向相反的方向运行。轨道是遥远并且高度稳定的，它经过拉格朗日点上方，而不是靠近月球。

DRO 轨道是一个轨道半径为 70,000 公里左右的高月球轨道，可以不需要消耗燃料进行轨道保持并稳定在轨运行数十年。

截至 2022 年，只有中国的嫦娥五号轨道器和 NASA 的猎户座飞船在阿耳忒弥斯一号任务期间进入过 DRO 轨道。2022 年 1 月，经多位国外卫星跟踪者确认，嫦娥五号轨道器进入了月球 DRO 轨道，成为了历史上第一个利用该轨道的航天器。

阿耳忒弥斯一号任务，猎户座飞船是第二个进入 DRO 轨道的航天器，在该轨道待了 6 天。

冻结轨道

冻结轨道（Frozen Orbit）是一种人造卫星的轨道，通过仔细选择轨道参数将扰动降至最低（由于地球的形状或其他因素造成的自然漂移可能会导致扰动）。通常冻结轨道上的卫星的高度在很长一段时间内在每次旋转的同一点保持恒定，这会产生长期稳定的轨道，最大限度地减少卫星推进剂的使用。

采用冻结轨道的动机和背景源自于高性能的卫星遥感系统要求卫星在不同时间通过同一地区时的高度尽可能不变，如果采用一般的太阳同步轨道（SSO）而不是冻结轨道，由于椭圆轨道在轨道面内转动，卫星在通过同一纬度地区时的高度可以有几十公里的变化，这就需要对卫星高度进行轨道机动，而这会消耗大量的推进剂。

墓地轨道

墓地轨道（Graveyard Orbit）也称为垃圾轨道（Junk Orbit）或报废轨道（Disposal Orbit），是远离普通运行轨道的轨道。一个重要的墓地轨道是远远超出地球同步轨道的超同步轨道（Supersynchronous orbit，一般比同步轨道高 300 公里左右）。一些卫星在其使用寿命结束时被移入此类轨道，以减少与运行中的航天器相撞并产生空间碎片的可能性。对于 GSO/GEO 轨道上的卫星，转移到该墓地轨道需要消耗大约三个月维持轨道的燃料。

对于 LEO 轨道上的卫星，则需要主动衰减到更低的报废轨道，然后由于大气阻力而重新进入大气层并在一年内燃烧殆尽，终结其生命。

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