能量軌道衛星

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簡介

太陽系中的所有行星都位於不同的距離。前四個行星彼此更靠近，也更靠近太陽。它們構成了太陽系內部。太陽系外部的行星距離太陽很遠。遙感是透過遠端獲取地球上物體的資訊，無需直接接觸。它有著悠久的歷史，始於 18 世紀和 19 世紀，當時人們將安裝在氣球和鴿子腿上的照相儀器用於遙感，並延續到遙感時代。在 20 世紀，航空攝影和衛星遙感技術迅速發展。

什麼是衛星？

圍繞太陽系行星執行的天體稱為衛星。我們將天然衛星稱為月球，以將其與人造衛星區分開來。我們可以看到它，因為照射到我們地球的天然衛星月球上的光會被反射。由於重力的作用，它們繞行星執行。除了水星和金星之外，太陽系中的所有行星都擁有月球。我們之前已經瞭解了圍繞行星執行的天然衛星。行星和衛星之間存在萬有引力。

如今，許多衛星被放置在地球軌道上。1956 年發射的斯普特尼克號是第一顆發射的人造衛星。衛星被髮射到距離地球幾百公里的軌道上。

將衛星提升到風阻可以忽略不計的高度後。到達此高度後，如果給衛星一個水平速度，它將沿著近圓形軌道執行。

圖 1. 衛星

衛星通訊

衛星通訊使用的是發射機和接收機之間的訊號傳輸型別。資訊訊號透過上行鏈路（頻段）從地球站傳輸到天空中的衛星。然後，它透過下行鏈路（頻段）被轉發到另一個地球站，並由那裡的轉發器放大。

衛星型別

根據衛星的應用，可以將其分為不同的類別。下面介紹一些衛星。

氣象衛星

這些衛星用於監測地球的天氣和氣候。這些衛星透過測量雲的質量來幫助我們預測降雨、危險的旋風和風暴。

通訊衛星

這些衛星傳輸電視、廣播和網際網路訊號。對於長距離傳輸，使用多顆衛星。

導航衛星

導航衛星用於確定船舶、飛機或任何其他物體的地理位置。

什麼是軌道及其型別？

行星沿著固定的彎曲路徑繞太陽執行。這些路徑稱為軌道。軌道是由於其他粒子或物體的引力作用而圍繞中心粒子或系統執行的路徑。

圖 2. 行星的軌道

地球周圍有三條軌道。它們是

• LEO - 低地球軌道

• MEO - 中地球軌道

• 高地球軌道

它們由地球軌道的海拔高度決定。海拔高度高達 2000 公里或 0-1240 英里的軌道稱為低地球軌道。中地球軌道還有另一個名稱，即中軌道。它位於低地球軌道和地球同步軌道之間。

MEO 的高度範圍為 2000 公里到 35786 公里。中地球軌道的軌道週期為 12 小時。高於地球同步軌道的軌道稱為高地球軌道。高地球軌道的海拔高度範圍為 35786 公里。

軌道衛星的能量是什麼？

軌道衛星的能量定義為繞地球執行所需的能量。由於它繞地球執行並且位於地球的引力場中，因此它同時具有動能和勢能。

$$\mathrm{能量\:=\:動能\:+\:勢能}$$

衛星的能量關係？

繞地球執行的衛星在地球表面上方高度為“h”處的總能量計算如下。

衛星的勢能，

$$\mathrm{U=-\frac{GM_{s}M_{E}}{(R_{E}+h)}\:\:------(1)}$$

其中，

$$\mathrm{M_{s}\:-衛星的質量}$$

$$\mathrm{M_{E}\:-地球的質量}$$

$$\mathrm{R_{E}\:-地球的半徑}$$

衛星的動能

$$\mathrm{K.E=\frac{1}{2}M_{s}V^{2}\:\:------(2)}$$

這裡“v”是衛星的軌道速度。衛星的軌道速度取決於其距地球的高度。它越靠近地球，其執行速度就必須越快。距離 200 公里的衛星必須以略高於 27400 公里/小時的速度執行。以這種方式執行時，它將在 24 小時內繞地球執行。

衛星似乎位於地球表面上方的同一位置。因此，由於它們相對於地球處於相同的位置，因此這些型別的衛星稱為地球同步衛星。軌道速度 (v) 給出為，

$$\mathrm{V=\sqrt{\frac{GM_{E}}{(R_{E}+h)}}}$$

$$\mathrm{G\:-\:萬有引力常數}$$

$$\mathrm{M_{E}\:-\:地球的質量}$$

$$\mathrm{R_{E}\:-\:地球的半徑}$$

$$\mathrm{h\:-\:衛星在地球表面以上的高度}$$

將“v”的值代入方程 (2)

$$\mathrm{K.E=\frac{1}{2}\frac{GM_{S}M_{E}}{(R_{E}+h)}}$$

因此衛星的總能量

$$\mathrm{E=\frac{1}{2}\frac{GM_{S}M_{E}}{(R_{E}+h)}-\frac{GM_{S}M_{E}}{(R_{E}+h)}}$$

$$\mathrm{E=-\frac{GM_{S}M_{E}}{2(R_{E}+h)}}$$

這裡的負號表示衛星被地球的引力場覆蓋。因此衛星無法擺脫地球的引力場。當“h”達到無窮大時，衛星的總能量為零。這意味著衛星完全不受地球引力場的影響。而在很遠的距離意味著衛星不受地球束縛。

衛星的軌道週期

衛星的軌道週期定義為衛星繞地球執行一週所需的時間。

$$\mathrm{軌道週期\:T\:=\:\frac{行程距離}{軌道速度}}$$

$$\mathrm{T=\frac{2\pi r}{v}}$$

代入“v”的值

$$\mathrm{T=\frac{2\pi r(R+h)}{\sqrt{\frac{GM_{E}}{(R_{E}+h)}}}}$$

根據開普勒定律簡化上述方程，衛星的軌道週期

$$\mathrm{T=2\pi \sqrt{\frac{R_{E}}{g}}}$$

代入 R 和 g 的值，衛星的軌道週期 T$\mathrm{\cong }$85 分鐘。

結論

遙感是透過遠端獲取地球上物體的資訊，無需直接接觸。圍繞太陽系行星執行的天體稱為衛星。我們將天然衛星稱為月球，以將其與人造衛星區分開來。衛星通訊使用的是發射機和接收機之間的訊號傳輸型別。根據衛星的應用，氣象衛星、通訊衛星和導航衛星是不同型別的衛星。

常見問題

Q1. 為什麼衛星也被稱為無線電中繼器？

答：通訊衛星有助於透過轉發器下行鏈路重新廣播無線電訊號，以到達遙遠的位置。因此，它也被稱為天空中的無線電中繼器。它在各個領域都有應用。

Q2. 什麼是 GPS？

答：GPS 代表全球定位系統。GPS 在我們的車輛和手機中已變得如此不可或缺，以至於我們感覺好像缺少了什麼。它是世界上第一個也是目前使用最廣泛的 GNSS。它由美國國防部開發。

Q3. 什麼是國際空間站？

答：國際空間站是一個大型空間站，可容納宇航員。它在距離地球約 400 公里的低地球軌道上執行。它也用作科學實驗室。

Q4. 機器人手臂有哪些用途？

答：機器人手臂透過移除無法手術切除的腫瘤（例如腦腫瘤）並進行高精度活檢來支援國際空間站的研究。其創造者聲稱可以進行此類組織研究。

Q5. 什麼是小行星？

答：火星軌道和木星軌道之間存在一個巨大的空隙。在這個星際空間中，數百萬塊岩石（看起來像一條帶狀）圍繞著行星執行，這些行星是在它們形成時形成的。這些被稱為小行星。