在轨道力学中,这个问题常用轨道六要素解决,理解轨道六要素的含义,需要从以下三个步骤来考虑。
首先考虑什么是卫星的轨道?人造地球卫星是在地球大气层外的宇宙空间、以天体力学运动规律、围绕地球飞行的航天器。卫星在受到万有引力及其他外力的作用下,围绕地球运动的轨迹称为卫星的轨道。人造地球卫星的轨道是圆或椭圆形的,地球就处于圆的圆心或椭圆的焦点上。
其次考虑如何描述卫星的轨道。既然卫星的轨道是椭圆(圆是椭圆的一种特殊情况),不同的椭圆具有不同的大小、形状以及空间方位指向,只要确定了椭圆的大小、形状以及空间方位指向,那卫星轨道也就唯一确定了。
确定椭圆的大小和形状需要两个因素:半长轴、偏心率。半长轴指的是椭圆长轴的一半,半长轴越大则椭圆越大。偏心率表示焦点之间的距离与长轴的比值,偏心率越小则轨道越圆,偏心率越大则轨道越扁。
确定椭圆的空间方位指向需要三个因素:轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角。轨道倾角指的是轨道面和地球赤道面的夹角,倾角为0,卫星始终在赤道上空飞行,这样的轨道叫做赤道轨道;倾角为90度,卫星轨道平面与地球赤道平面垂直,卫星飞跃南北极上空,这样的轨道叫做极地轨道。轨道倾角定下了椭圆相对于地球的倾角。
升交点是指卫星由南向北穿过赤道面的交点,升交点赤经是指在赤道面内从春分点到升交点的夹角。春分点是黄道面与赤道面在天球上的交点,春分点方向是立春的这一天,太阳相对于地球的方向。轨道倾角和升交点赤经就确定下椭圆在空间的方位。
近地点幅角指的是从升交点到近地点之间的角,它表明了椭圆的长轴在的空间指向。确定了轨道倾角、升交点赤经和近地点幅角,椭圆在空间的方位指向就唯一确定了,即卫星的轨道唯一确定了。
确定了卫星的轨道后,最后需要考虑卫星在轨道上的哪一点。确定卫星在轨道上的哪一点只需要一个要素:真近点角。真近点角指的是在轨道平面内,卫星从近地点起沿轨道运动时其扫过的角度,是某一时刻轨道近地点到卫星位置矢量的夹角。真近点角决定了卫星在轨道中的具体位置。真近点角是随时间变化的,意味着卫星在不同时间处于轨道上的不同位置。
综上可知,确定卫星的位置需要六个要素,我们称之为轨道六要素。它们是半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和真近点角。轨道六要素是开普勒基于行星绕太阳的椭圆运动提出的一种描述轨道的方法,它让我们得以直观地想象轨道的大小、形状和空间方位指向。通过这样的描述,即便是在茫茫太空,我们也能够很清楚地确定卫星的位置了。
我们中国是在东半球,所以,我们的位置都是东经XX度。而纬度的划分是以赤道作为0度,往南就是南纬,一直到南纬90度,就是南极点,往北从北纬0度一直到北极点北纬90度,我们生活的中国大陆都是在北半球。而我们用来接收卫视节目的卫星,一般都是在赤道上空的定点卫星(也叫同步卫星),它相对于地球是静止不动的,所以卫星的纬度是零度,通常只用经度表示卫星的位置,如亚洲3S东经105.5度,亚太2R东经76.5度。我们在北半球,所以卫星就在我们的南方,至于是南偏东还是偏西,要看它和我们的相对位置,如果你现在所处的位置是东经X度,卫星的位置是东经Y度,如果YX,那么卫星就在正南偏东的位置,反之,就在正南偏西。比如,我现在所处的位置是东经121度,亚太1A东经134度就在我的东边,亚洲3S东经105.5度在西边,亚洲2号100.5度更往西偏。至于偏多少度以及仰角是多少,现在有不少小程序,只需输入当地的经纬度和卫星的经度数据就可以给出,有些接收机也有此功能。还有个极化角,就是高频头相对于标准位置(对于C头,0刻度一般处于上下左右四个点,不同厂家的位置可能不同,ku头,0刻度,或箭头指向正上方)所旋转的角度,顺时针为正,逆时针为负,理论上,大凡正南偏东的卫星,极化角都是正的,偏西的卫星,极化角都是负的,但极化角只是个理论值,实际操作时还要进行细调。