卫星应急通信——空间

       人们普遍认为，大气层的最高限度可达16000km，但由于100km是航天器绕地球运动的最低轨道高度，人们一般以距离地球表面100km（也有80km和120km等多种提法）的高空作为“空”与“天”的分水岭，100km以下称为大气空间。

      飞机一般都有一个最高飞行速度，即静升限，对于普通军用和民用飞机来说，静升限一般为18〜20km,这个高度也是对流层与平流层分界的高度，通常将这一空间称为航空空间。在飞机最高飞行高度与航天器绕地球运动的最低轨道高度之间有一层空域，对应高度为20〜100km,这层空域称为临近空间，该空间自下而上包括大气平流层区域、中间大气层区域和部分电离层区域。随着技术和应用需求的发展，人们将传统的航空空间进一步向上扩展，将临近区间定义为航空空间的超高空部分。图2.1给出了大气空间具体分布示意图。

图2.1  大气空间分布示意
①临近空间②航空空间

       大气空间在垂直空间范围内包括对流层和平流层。对流层是地球大气中最低的一层。对流层中气温随高度增加而降低，空气的对流活动极为明显。对流层的厚度随纬度和季节而变化，它集中了大气中约3/4的质量和几乎全部水汽，是天气变化最复杂和对航空活动影响最大的层次。风暴、浓雾、低云、雨雪、大气湍流等对飞行构成较大影响的天气现象都发生在对流层中。平流层位于对流层之上，空气稀薄，底部距离地面约20km,层顶距离地面约85km,在平流层中，空气的垂直运动较弱，水汽和尘埃较少，气流平稳，能见度好。 

       按飞机的活动特点，航空空间一般分为超低空、低空、中空、高空和临近空间。

       距地面高度100m以下的空间为超低空。超低空飞行，有利于作战飞机的突防、隐蔽地接近目标，但近地障碍严重威胁飞机的飞行安全，油料消耗大，续航能力低，观察地面的角度大，发现和识别目标困难。

距地面高度100〜1000m的空间为低空。低空飞行，有利于隐蔽出航和准确突袭地面目标，但续航能力较低，机载电子设备作用距离近，易受高炮等防空火力杀伤。

       距地面高度1〜7km的空间为中空。这一空间是适合飞机飞行的最佳飞行高度，有利于发挥飞机的战术技术性能，是空中格斗的主要战场。但是，由于在中空飞行容易被雷达发现，且高射炮和地空导弹大多以中空为其主要打击空域，因此目前作战飞机的机动有向两极空间发展的趋势：向高空发展以增强飞机的生存能力，使对方一般的防空火力“鞭长莫及”；向超低空发展以避开对方地面雷达警戒，达到隐蔽突击的效果。

      距地面高度10〜20km的空间为高空。飞机在高空飞行，航程和机载电子设备作用距离增大，但投掷普通炸弹的命中率降低，且易过早被敌方雷达发现，受地空导弹的威胁较大。

      距地面高度20〜100km的空间为临近空间，在这一区间布设的飞行器具有飞行高度高、滞空时间长的独特优势，同时又可以避免目前绝大多数的地面武器攻击，临近空间飞行器可执行快速远程投送、预警、侦察与战场监视、通信中继、信息干扰、导航等任务，在空间攻防和信息对抗中能发挥重要作用，其特殊的战略位置和特点，决定了临近空间信息系统将成为国家空、天、地一体化信息系统不可缺少的组成部分。

       宇宙空间是指地球大气平流层以外的外层空间，根据宇宙空间距离地球的远近，一般将宇宙空间分成近地空间(100〜150km)、近宇宙空间(150〜2000km)、中宇宙空间(2000〜50000km)和远宇宙空间(50000〜930000km)。目前40%的航天器和100%的洲际弹道导弹与潜射弹道导弹主要运行于近地空间和近宇宙空间，60%的不载人航天器运行于中宇宙空间。随着人类航天技术的进步，航天活动将会进一步向远宇宙空间发展。

       距地球表面100km是航天器绕地球运行的最低高度，100km以上空气稀薄，空气阻力近似于0,无法借助空气产生的升力进行飞行。因此，要进行太空飞行必须使用火箭推进系统。人们将运载火箭从地面起飞到航天器入轨，这段轨道称为航天器的发射轨道。发射轨道中火箭发动机的工作段称为主动段，从火箭发动机停机到航天器入轨的这段轨道段称为自由飞行段。

       航天器进入所设计好的轨道执行任务，这个轨道称为运行轨道。完成在轨任务之后，有的要求回收，为此制动发动机工作，航天器脱离运行轨道到地面的轨道称为返回轨道。对于星际飞行航天器从一个行星出发，飞向某一行星进行探测或者在此行星上着陆，为此设计执行的轨道称为行星际飞行轨道⑵。

       从地球上看，太阳在空间走过的路线实际上就是地球绕太阳公转的轨道，称为黄道,黄道与赤道之间有23.5°的夹角，这个数值称为黄赤交角。这样，黄道和赤道之间有两个交点。人们规定太阳由南向北经过赤道的这两个点称为升交点，在天文上也称为春分点，用符号〉表示，太阳经过这一点的日子一般为3月21日。与升交点相对应那一点为降交点，即秋分点。航天器在运行轨道上围绕地球飞行时，其运行轨道可以利用倾角⑴、半长轴（a））、偏心率（e)、近地点幅角(ω）、升交点赤经(Ω）和过近地点时刻(t)等要素表示。

       轨道平面与赤道平面的夹角称为轨道倾角，用，表示。当，=0°时，表示轨道面和赤道面重合,因而称为赤道轨道；当Z=90°时，轨道面通过南北两极,称为极轨道；当z>90°时，卫星运动方向和地球自转方向相反，称为逆行轨道，太阳同步轨道即具有这个特点。

       当¡≠0°时，轨道和赤道也有两个交点，即卫星由南向北经过赤道时的点称为升交点；与之相对，卫星由北向南经过赤道的点称为降交点。由春分点沿赤道向东度量到升交点的这一段弧线，称为升交点赤经，用Ω来表示。

       i和Ω决定了轨道面相对于赤道面的位置，或者说决定了轨道面在空间的位置。轨道的形状（圆还是椭圆）和大小则用另外两个量，即偏心率e和半长轴。来表示，e=0时，轨道为圆形；e<0时，轨道为椭圆形；e=l时，轨道呈抛物线，卫星就能脱离地球引力，进入太阳系飞行。e越接近1,椭圆形状越扁。轨道大小则由半长轴表示，a越大，椭圆越大，卫星飞行一圈的时间越长⑵。

       近地点在轨道面的位置由近地点幅角口来表示，它决定了长半轴的方向，该角是测量从升交点沿航天器飞行方向起到近地点的一段弧线。

       航天器轨道在空间的位置完全确定后，要知道什么时候航天器飞行到轨道的什么位置，还需要知道航天器过近地点时刻t.这个时刻作为航天器在轨道上的起算时刻，通过公式即可计算出航天器在某一时刻到达轨道上哪个位置。

        综上所述，由椭圆性质知道，距地心最近的点为近地点，距地心最远的点为远地点，近地点和远地点距离之和的1/2就是半长轴。航天器的椭圆轨道如图2.2所示。

 

在了解了航天器运行轨道要素的基础上，根据所承担的任务不同，航天器轨道有多种形式。

1.圆轨道和椭圆轨道

       根据开普勒定律可知，对应每个轨道高度都有一个确定的圆轨道速度与之对应。以500km高的轨道为例，如果入轨速度正好是7.613km/s,且入轨速度方向和当地水平线平行，那么就能形成圆轨道。这两个条件(入轨速度大小和方向)只要有一个不满足，就会形成椭圆轨道，严重时还不能形成轨道，而进入大气层损毁。因此，在实际运动的航天器轨道中没有一条偏心率等于0的圆轨道，但为了设计和计算上的方便，把偏心率小于0.1的轨道近似地看作圆轨道或近圆轨道，除此之外，都是椭圆轨道⑵。

2.顺行轨道和逆行轨道

      从北极看，凡飞行方向和地球自转方向相同的航天器轨道，就是顺行轨道，也就是说，航天器从西北向东南飞行，或是西南向东北飞行的轨道为顺行轨道，与此相反的为逆行轨道。从轨道倾角定义可知，顺行轨道的倾角小于90°,逆行轨道的倾角大于90°o从运载火箭发射方向看，向东北或东南方向发射卫星，形成的轨道将是顺行轨道；而向西北或西南方向发射将形成逆行轨道。

3.极地轨道

       倾角在90°附近的轨道称为极地轨道，简称极轨道。在这种轨道上运行的航天器每圈都经过南北两极，气象卫星、导航卫星、地球资源卫星常采用这种轨道来实现全球覆盖。

4.地球同步轨道

       地球自转一周的时间是23时56分4秒，运行周期与它相同的顺行轨道就是地球同步轨道。如果这条轨道的倾角为零，且为圆形的，则就是地球同步轨道。地面上的人看来，在这种轨道上运行的航天器是静止不动的，如果是卫星则称为静止卫星。它距地面35786km,飞行速度为3.07km/s,习惯上分别称它们为同步高度和同步速度。地球同步轨道的精度要求很高，稍有偏差航天器就会偏离静止位置。当轨道周期比地球自转周期大时，航天器均匀地向西漂移；轨道周期比地球自转周期小时，航天器向东漂移。即使航天器己经静止在某个地理经度的赤道上空，摄动也会使它的倾角、半长轴等发生变化,偏离静止位置⑵。

5.太阳同步轨道

       轨道面在空间不是固定不动的，它绕地球自旋轴转动，当转动的角速度(方向和大小)和地球公转的平均角速度一致时，这样的轨道称为太阳同步轨道，即轨道面要向东转动,且角速度为360。/年。太阳同步轨道的半长轴、偏心率和倾角要满足关系式：

       由关系式可以得到：太阳同步轨道的倾角大于90°,即它是一条逆行轨道，运载火箭需向西北方向发射，因为是逆着地球自转方向发射的，故发射同样重量的航天器要选用推力较大的运载火箭；当倾角达到最大（180°）,且是圆轨道（e=0）时，太阳同步轨道的高度不会超过6000km。

       太阳同步轨道的特点是，航天器在这一轨道运行时，以相同方向经过同一纬度的当地时间是相同的。例如，当航天器由东南向西北方向飞行经过某地上空时为上午10时（当地时间），那么以后航天器只要是同一方向飞过这个地方的时间都是当地时间上午10时。因此，只要选择好适当的发射时间，可使卫星飞过指定地区上空时始终有较好的光照条件。对地观测卫星（如气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星）一般都采用太阳同步轨道。

6.星际航行轨道

       星际航行轨道是指航天器脱离地球引力进入太阳系航行，或脱离太阳系引力到恒星际航行的飞行路线，前者称为行星际航行，后者称为星际航行。目前尚未有真正意义上的星际航行，因为距离地球最近的比邻星，以光速飞行也需要4.22年才能到达，何况这么远距离的通信联络等问题目前也解决不了。至今，人类的星际航行局限于太阳系内，对太阳系内天体进行探测，因而本书涉及的星际航行轨道实质上是行星际航行轨道。

       行星际航行轨道可分为靠近目标行星飞行的飞越轨道、环绕目标行星飞行的行星卫星轨道、在目标行星表面着陆的轨道、人造行星（绕太阳飞行）轨道和脱离太阳系轨道。鉴于篇幅有限，这里就不一一介绍了，感兴趣的读者可以参阅相关书籍。

        根据大气的温度、密度及运动特征，大气层可分为5层，从海平面依次向上分开各层。大气层的简单结构如表2.1所示。

表2.1大气层的简单结构

各层名称	对流层	平流层	中间层	热层	外层	大气边界
层高上限/km	7〜8	50	80	400	1500〜1600	2000〜3000

1.对流层

       对流层为接近海平面的一层大气，其厚度随着纬度与季节等因素而变化。南北极为7〜8kn）,质量大约占总大气质量的3/4o该层中的风速与风向是经常变化的；空气中的压强、密度、湿度和温度也经常变化，一般随高度的增加而减少；风、雨、雷、电等气象现象发生在这一层。对流层的介电特性随时间和空间而变化，因此，在对流层中无线电波传播和在自由空间中不一样，传播路径会发生弯曲，传播速度异于真空光速，从而产生电波的大气折射效应⑶。

       对流层内气体分子及水汽凝结物（云、雾、雨等）具有吸收和色散作用，会造成电波的衰减，衰减量与电波的工作频率密切相关。

       在20GHz以下频率及其他大气窗口频率，对流层为非色散介质（电特性与频率无关），但对氧分子和水汽分子强烈吸收的频率，它为色散介质。

2.平流层

       由对流层顶端到海平面以上50km处为平流层。其质量约占大气总质量的l/4o高度在20km以内时，气温不随高度变化，保持在216.65K；在20〜32km高度时，气温则随着高度的升高而上升。该层没有水蒸气、雷、雨等现象，也没有大气的上下对流，只有水平方向的流动，故称平流层团。

       由于平流层空气稀薄且不含水汽，对电波的折射和吸收等影响不大。

3.中间层

       中间层的范围是指从平流层50km高度伸展到80km的高度。该层的特点是：气温随高度上升而普遍下降，有相当强的垂直运动。在其顶层气温可低至100〜190K。其原因是这一层几乎无臭氧，而氮气和氧气等气体所直接吸收的更短波长辐射又已经大部分被上层大气所吸收。

4.热层

       热层位于中间层之上，其空气密度甚小。400km高度以上空间中，空气密度已小到声波难以传播的程度，且越往上密度越小。由于热层空气稀薄，在太阳紫外线和宇宙线的作用下，氧分子和一部分氮分子分解为原子状态。除空气密度较小外，该层气温随高度升高而升高。因为所有波长小于0.175卩m的太阳紫外辐射都被该层气体吸收，热层顶部温度高达1500K,空气处于高度电离状态团。

5.外层

       热层上部1500〜1600km以上的大气层有时也单独列为一层，称为外层或逃逸层，其上边界不明显。这一层大气极其稀薄，又远离地面，受地面引力小，故大气粒子不断向星际空间逃逸。

        电离层是指分子处于电离状态的高层大气区域，它含有大量的自由电子与离子，对电波传播有显著的影响。造成大气电离的主要因素是太阳紫外线辐射、太阳日冕的X射线和太阳表面喷发的微粒子流等。对电离层所含电子浓度进行长期观测统计表明：层内存在着若干电子浓度不同的区域，即D层、E层、F层等。

       电离层空间某处的电离度，常用单位体积内含有电子数目，即电子浓度Ne（cm-3）表示。电离层在空间某处的电子浓度，如表2.2所示，并参阅图2.3。

表2.2电离层层次、高度和电子浓度

图2.3    电离层电子浓度的高度分布图