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观测人造卫星

  日落后的傍晚,有时你会看到夜空中有几颗明亮的“星星”正在缓缓的移动。他们就是环绕地球飞行的人造卫星。这些卫星大多是用于通讯、天文观测、军事任务和遥感(气象、气候、地质、地理、)等等。他们所运行的轨道会受到诸多方面的影响,比如说高层大气的条件、地表特征等等。人造卫星能否被地面上的观测者看到同样受到各种因素的制约。了解了这些因素与人造卫星的亮度的关系以后,就可以保证你可以在最佳的时刻观测他们。

一、影响观测的主要因素——轨道
  人造卫星所运行的最简单的轨道莫非就是圆形轨道。这种轨道可以用轨道高度(人卫距离地表的高度)以及轨道倾角(人卫轨道平面和地球赤道面之间的夹角)这两个参数来描述。地球上的观测者能否观测得到这些人卫全由前面的两个参数值决定。而实际上,大多数的人卫轨道都是椭圆形的,他们所处的的轨道高度介于远地点高度和近地点高度之间。

二、高度与亮度的关系
  对于一个体积固定的人造天体来说,距离地面越高远越难于观测。他们的亮度通常用天文学上的星等概念来定义。

  人造天体的亮度基本由以下三个因素确定

  1 卫星表面状况——如果一颗卫星具有高度抛光、高度反光的表面,那它所反射的阳光当然是最多的。从地面上看也比较亮。一颗具有漫反射表面的卫星看起来当然要比一颗具有镜面反射表面的卫星微弱的多。当然,随着时间的推移,光亮的表面也会慢慢变得比较粗糙,另一方面,粗糙的表面有时候也可能被熔化反而变得光滑。有时候人造卫星上的某些结构(如太阳能电池板等等)也具有很高的反射度,他们就像镜子一样也可以反射大量的光线。

  2 人造卫星的尺寸——这是一个非常重要的参数。很显然,卫星的尺寸越大,越容易观测到。

  3 人造卫星的姿态——相对于观测者来说,卫星的反射截面的有效面积越大,我们接收到的光也就越多。反射截面的大小与卫星的姿态有着密切的关联,卫星的姿态同时也决定了反射光柱的方向。如果太阳—卫星—观测者之间的角度匹配(理论上这个角度应该等于90度或者更小)的话,我们就会看到卫星。如果将卫星的形状看成球形(比如月亮),那么当这个角度为零度的时候,我们看到得将会是明亮的“满月”,卫星被观测到的几率便会很大。这样,当太阳落山后,卫星在东方天空出现的几率最大;与之相反,黎明前,卫星在西方出现的几率最大。如果此时卫星正在翻转,那它将会不断的闪烁。产生翻转的原因有很多种,比如卫星打开它的负载设备或排放废弃气体和燃料。

  卫星观测时所处的地平高度对其亮度同样有非常大的影响。处于地平和处于天顶两个观测条件下,卫星的亮度可以相差1-2个星等。

三、卫星轨道倾角与亮度的关系
  卫星轨道倾角决定了卫星将会在地球上哪一个区域的上空飞过。如果卫星的倾角为25度,那么北部欧洲将不会看到这颗卫星,除非它的轨道高度达到1500km以上(然而这样它的亮度也必然很低)。卫星的轨道大体分为三种类型:

  1 椭圆轨道——轨道倾角大约在0-70度之间,目前大多数的卫星都沿着这种轨道来运行。具有这种轨道的卫星通常可以在东西方向的半空中找到。发射这种轨道的卫星可以部分借用地球自传的离心力,不但节省了燃料而且还可以加大有效载荷。

  2 静止轨道——这是一种特殊的椭圆轨道,其轨道高度约为36000km,卫星环绕轨道一周的时间是一天。这样从地球上看来,卫星就好像被固定在某一个点上。

  3 极轨道——当卫星轨道倾角非常大的时候,卫星将会从地球两极的上空掠过,随着地球的自转,卫星可以观测到整个地球表面。比如气象卫星通常都是沿着这种轨道来运行的,同时他们的轨道也是太阳同步的(即它们的轨道与太阳之间的位置是锁定),因此他们总是在每天固定的时间经过地球上谋一固定点的上空。

影响观测的其它因素
  当卫星进入地球的阴影区,便会发生“食”。这是影响观测的又一个因素。食的发生通常取决于卫星的高度、姿态、观测者的位置以及当地的时间。比如每年七月份,位于北极的观测者头顶上方地球阴影的高度比位于赤道地区的观测者矮的多。因此对于观测低轨道的地球人造卫星来说,高纬度地区的观测者拥有可观测夜的时间更长。事实上,北极的观测者几乎根本看不到卫星进入地球阴影的现象。

  现在来看一个例子。如图所示,此时北半球正是夏天。当卫星从轨道的N点运行到C点时,处在A区的北方观测者可以看到它。当卫星从轨道的D点运行到S点时,则处在B区的观测者可以看到它,但这只是很短的一瞬间。类似的,当北半球到了冬季,情况正好相反。由于地球自转轴的倾斜,地面上的可观测区域在夏天会扩展到更低纬度的地区。这种循环的周期和地球公转的周期相同,都是一年。再来看一下位于中低纬度的观测者,他们的观测条件并不乐观,因为只有在太阳落山后或者黎明以前,他们才可以一睹这些卫星的美丽闪光。

  好了,已经知道了这么多,到底应该怎样去作,我们才能看到这些美丽的人造天体呢?

  首先,我们应当知道观测地点的准确坐标,最好用GPS测一下(因为卫星出现的方位、高度和观测者的地面的位置有直接的联系),如果条件达不到,只好用附近城市的坐标来代替,但由此也会引入一定的误差。然后连接德国宇航中心页面将你的坐标填入对话框中,然后就可以查询你想看的卫星的观测资料了。得到了卫星的观测资料(比如出现的时间、高度以及方位角)我们就可以根据这些资料来安排我们的观测计划了。
 

 

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