凍原軌道

凍原軌道，或稱苔原軌道，（俄語：Орбита «Тундра»，英語：tundra orbit）是一種有著較高傾角（蘇聯使用的通常約 63.4°^[1]）、高橢圓的地球同步軌道，軌道週期為一恆星日（比太陽日少約 4 分鐘^[2]）。這種軌道上的人造衛星會在大部分時間里處於地球上某個選定的區域中，這是被叫做「apogee dwell」（字面含義為「遠地點駐留」）的現象。凍原軌道的衛星的地面軌跡為一個閉合的「8」字形。

在地心坐標系中傾角為63.4°的凍原軌道的動畫。 ·   0.2的軌道離心率 ·   0.3的軌道離心率 ·   地球

凍原軌道和閃電軌道使用${\textstyle \arcsin {\sqrt {\frac {4}{5}}}\approx 63.43^{\circ }}$的軌道傾角可以消除因為赤道隆起引起的近地點長期攝動。對於其他不是 63.43°的傾角，近地點會穩定改變，遠地點亦隨之離開最高緯度。

特性

一個典型的^[3]凍原軌道有以下特性:

• 軌道傾角: 63.4°
• 近地點幅角: 270°
• 軌道週期: 1436分鐘
• 軌道離心率: 0.24–0.4
• 軌道半長軸: 42,164 km（26,199 mi）

軌道傾角

因為赤道隆起對衛星近地點幅角(${\displaystyle \omega }$)產生擾動，使其隨時間逐漸變化。除非不斷使用推進劑保持軌道，如果只考慮一階係數${\displaystyle J_{2}}$，近地點將按照公式（1）變化。

${\displaystyle {\dot {\omega }}={\frac {3}{4}}\;nJ_{2}\left({\frac {R_{E}}{a}}\right)^{2}{\frac {4-5\sin ^{2}{i}}{\left(1-e^{2}\right)^{2}}}}$

1

其中${\displaystyle i}$是軌道傾角，${\displaystyle e}$軌道離心率，${\displaystyle n}$平均每天的運動度數，${\displaystyle J_{2}}$是擾動因子，${\displaystyle R_{E}}$是地球半徑，${\displaystyle a}$是半長軸，${\displaystyle {\dot {\omega }}}$是每日度數。

為了避免這種燃料消耗，凍原軌道使用了63.4°的傾角，這使得${\displaystyle \left(4-5\sin ^{2}i\right)}$的為零，近地點的位置就不會隨時間變化^{[4][5]:143[3]}。 這被稱為臨界傾角，以這種方式設計的軌道被稱為凍結軌道。

軌道離心率

軌道離心率根據所需停留時間而選擇，並改變地面軌跡的形狀。凍原軌道的離心率一般為0.2左右；離心率為0.4左右的軌道，地面軌跡將從8字形變為水滴形，被稱為超級凍原軌道。^[6]

使用凍原軌道的太空飛行器

準天頂衛星系統軌道的地面軌跡，有類似於凍原軌道的特徵，但傾角較小。

2000年到2016年，天狼星衛星廣播（現在是天狼星XM的一部分），在凍原軌道上營運一個由三顆衛星組成的衛星星座，用以衛星廣播。^[7][8]每顆衛星的升交點黃經和平近點角被設置相差120°，這樣當一顆衛星移動出位置時，另一顆衛星已經通過近地點並準備接替該衛星工作。該星座的開發是為了廣播能更好地到達北半球更高緯度地區的消費者，減少都市峽谷的影響，並且只需要130個中繼器，而地球靜止軌道系統則需要800個。在天狼星與XM合併後，它將FM-6替代衛星的設計和軌道從凍原軌道改為地球靜止軌道^[9][10]。作為已經在地球靜止軌道上的FM-5（2009年發射）的補充^[11]，2016年，天狼星停止了從凍原軌道的衛星廣播^[12][13][14]。天狼星衛星曾經是唯一使用凍原軌道的商業衛星^[15]。

日本的準天頂衛星系統使用的是類似於凍原軌道的地球同步軌道，但傾角只有43°。系統包括四顆採用相同地面軌道的衛星，從2010年開始測試，並從2018年11月起全面運行。^[16]

擬議項目

凍原軌道已被歐洲太空總署的阿基米德項目考慮使用，這是一個在1990年代提出的廣播系統。^[8][17]

凍原軌道，準天頂衛星系統軌道和閃電軌道比較 - 赤道視角

前視圖

側視圖

前視圖，地球固定坐標系

側視圖，地球固定坐標系

  凍原軌道 ·   準天頂衛星系統軌道 ·   閃電軌道 ·   地球

另見

• 橢圓軌道
• 閃電軌道
• 軌道列表（英語：List of orbits）