一種非常流行的軌道格式是地球靜止衛星軌道。地球靜止軌道被許多應用使用，包括直接廣播以及通信或中繼系統。

地球靜止軌道的優點是衛星全天保持在同一位置，天線可以指向衛星并保持在軌道上。

這一因素對于直播電視等應用尤為重要，因為在這些應用中，改變天線的方向是不切實際的。

有必要注意地球靜止軌道縮寫的使用。GEO和GSO都被看到，并且都用于地球同步軌道。

地球靜止軌道發展

地球靜止軌道的想法已經假設了很多年。基本思想的可能發起人之一是俄羅斯理論家和科幻小說作家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基。然而，赫爾曼·奧伯斯（Herman Oberth）和赫爾曼·波托尼克（Herman Potocnik）寫了關于在地球上空35 900公里高度的軌道站的文章，這些軌道站的自轉周期為24小時，使其似乎懸停在赤道上的一個固定點上。

1945 年 10 月，科幻小說作家亞瑟·克拉克 （Arthur C Clarke） 在英國主要的電子和廣播出版物《無線世界》上發表了一篇嚴肅的文章。這篇文章的標題是“外星中繼：火箭站能提供世界報道嗎？

克拉克推斷了當時的德國火箭技術可以做什么，并研究了未來可能發生的事情。他推測，僅用三顆地球靜止衛星就可以提供完整的全球覆蓋。

Arthur C Clarke的地球靜止軌道衛星概念

在文章中，克拉克確定了所需的軌道特性以及發射機功率水平，可以使用太陽能發電，甚至計算日食的影響。

克拉克的文章遠遠領先于時代。直到 1963 年，美國宇航局才能夠開始發射可以測試該理論的衛星。第一顆能夠開始測試該理論的可用衛星是1963年7月26日發射的Syncom 2。[Syncom 1 因無法到達正確的地球靜止軌道而失敗]。

地球靜止軌道基礎知識

隨著衛星高度的增加，衛星進入軌道的時間也會增加。在35790公里的高度，衛星需要24小時才能進入軌道。這種類型的軌道被稱為地球同步軌道，即它與地球同步。

地球同步軌道的一種特殊形式稱為地球靜止軌道。在這種類型的軌道上，衛星的旋轉方向與地球的自轉方向相同，并且大約有 24 小時的周期。這意味著它以與地球相同的角速度和相同的方向旋轉，因此相對于地球保持在相同的位置。

為了確保衛星以與地球完全相同的速度旋轉，有必要準確說明地球自轉的時間。對于大多數計時應用，地球的自轉是相對于太陽的平均位置來測量的，地球的自轉與繞太陽的自轉相結合，提供了一天的時間長度。然而，這并不是我們感興趣的給出地球靜止軌道的確切旋轉 - 所需的時間只是一次旋轉所需的時間。這個時間段被稱為恒星日，長 23 小時 56 分 4 秒。

幾何學表明，每天旋轉一次的軌道可以保持在地球表面完全相同的位置上的唯一方法是它沿與地球自轉相同的方向移動。此外，它的任何軌道都不得向北或向南移動。只有當它停留在赤道上空時，才會發生這種情況。

地球靜止軌道只能在赤道上空

從圖中可以看出不同的軌道。由于所有軌道平面都需要穿過地球的地心，因此顯示了兩個可用的選項。即使兩個軌道都以與地球相同的速度旋轉，標記為地球同步軌道的軌道也將在一天中的部分時間內移動到赤道以北，而在另一半軌道下方移動 - 它不會是靜止的。要使衛星靜止，它必須在赤道上方。

地球靜止衛星漂移

即使將衛星置于地球靜止軌道上，也有一些力可以作用于它，使其隨著時間的推移緩慢改變其位置。

包括地球的橢圓形、太陽和月亮的引力等因素都會增加衛星的軌道傾角。特別是地球在赤道周圍的非圓形形狀傾向于將衛星吸引到兩個穩定的平衡點，一個在印度洋上方，另一個非常粗略地在世界的另一端。這導致了所謂的東西向解放或來回移動。

為了克服這些運動，衛星攜帶燃料，使它們能夠進行“駐站保持”，將衛星返回到其所需位置。駐站機動的間隔時間由衛星上的允許容差決定，而該容差主要由地面天線波束寬度決定。這意味著無需重新調整天線。

通常，衛星的使用壽命取決于燃料允許進行空間站維護的時間。通常這將是幾年。在此之后，衛星可以漂移到兩個平衡點之一，并可能重新進入地球大氣層。首選方案是讓衛星利用一些最后的燃料將它們提升到更高和不斷增加的軌道，以防止它們干擾其他衛星。

地球靜止軌道覆蓋

一顆地球靜止衛星顯然無法提供完整的全球覆蓋。然而，一顆地球靜止衛星可以看到大約42%的地球表面，而衛星的覆蓋范圍下降，無法“看到”地球表面。這發生在赤道周圍，也發生在極地地區。

地球靜止衛星覆蓋

對于全球等距分布的三顆衛星組成的星座，可以完全覆蓋赤道周圍和南北緯81°。

對于大多數用戶來說，缺乏極地覆蓋不是問題，盡管在需要極地覆蓋的地方，需要使用其他形式的軌道的衛星。

地球靜止軌道和路徑長度/延遲

在地球靜止軌道上使用衛星的問題之一是路徑長度引入的延遲。

任何地球靜止衛星的路徑長度至少為 22300 英里。這假設用戶位于衛星的正下方，以提供最短的路徑長度。實際上，用戶不太可能處于此位置，并且路徑長度會更長。

假設路徑長度最短，這給出了單次行程，即到衛星或返回至少約 120 毫秒。這意味著從地面到衛星并返回的往返行程大約為四分之一秒。

因此，要在對話中獲得響應可能需要半秒鐘，因為信號必須通過衛星兩次 - 一次是向外到達遠程聽眾的旅程，然后是響應。當使用衛星鏈路時，這種延遲會使電話交談變得相當困難。當新聞記者使用衛星鏈接時也可以看到它。當被問到廣播公司演播室的問題時，記者似乎需要一些時間來回答。這種延遲是許多長距離鏈路使用電纜而不是衛星的原因，因為產生的延遲要小得多。

地球靜止軌道衛星的優缺點

雖然地球靜止軌道廣泛用于許多衛星應用，但它并不適合所有情況。有幾個優點和缺點需要考慮：

地球靜止軌道優勢：

衛星始終處于相對于地球的相同位置 - 天線不需要重新定向

地球靜止軌道的缺點：

與LEO或MEO相比，路徑長度較長，因此損耗較大。

鑒于海拔更高，衛星在GEO中的安裝成本更高。

較長的路徑長度會帶來延遲。

地球靜止衛星軌道只能在赤道以上，因此無法覆蓋極地地區。

盡管在地球靜止軌道上使用衛星有缺點，但它們仍然被廣泛使用，因為衛星相對于地球上的給定位置始終處于同一位置的壓倒性優勢。

審核編輯：黃飛