地球同步卫星知多少_教学参考-查字典物理网

人造地球卫星已经被广泛应用于科研、军事、和工农业生产等领域，有通讯卫星、军事卫星、气象卫星等。其中通讯卫星绕地心运动的角速度与地球自转的速度相同，所以从地面上看，它总在某地的正上方，因此叫同步卫星。这种卫星一般用于通讯，又叫同步通讯卫星。我们平时看电视实况转播时总听到解说员所说的太平洋上空或印度洋上空的卫星都是通讯卫星。现行高中物理教材中提到同步卫星的知识很少，但有些物理题都涉及到同步卫星的相关知识，为此有必要对同步卫星的几个问题进行简单了解。

1.同步卫星只能定点于赤道上空

若在北纬或南纬某地上空有一颗卫星，那么这颗卫星轨道平面的中心应是地轴上的某点，而不是地心，其需要的向心力也指向这一点。而地球所能够提供的引力只能指向地心，这样卫星在绕地轴做圆周运动的同时，也向赤道平面运动，从而不能使卫星的运动和地球自传同步，所以北纬或南纬某地上空是不可能有同步卫星的。卫星的轨道与地球赤道共面，才能与地球自转同步，即只能定点于赤道的上空。

2.同步卫星的高度是唯一的

同步卫星做圆周运动的周期T=24h=86400s，地球的半径R=6400km，地球质量M=6.0×1024kg。设同步卫星质量为m，离地面的高度为h。

对卫星由万有引力提供向心力得：

代入数值解得：h=3.6×104km

可见同步卫星必须定位于赤道上空，且地面高度h=3.6×104km处。赤道上空的这一位置被科学家称为“黄金圈”，是各国在太空争夺的主要领域。

3.同步卫星的轨道是圆，不能是椭圆

根据同步卫星的特点：它的角速度与地球自转的角速度相同，其角速度是个恒定值，决定了它的轨道只能是圆。如果它的轨道是椭圆，地球应该位于椭圆的一个焦点上，卫星在运动过程中就会出现近地点和远地点，在近地点时速度和角速度比远地点大，这样卫星的角速度就不是恒定值，与地球不能保持相对静止了。

4.至少要3颗同步卫星均匀分布在同步轨道上，才可以实现全球通信

根据同步卫星的特点，可以计算出一颗同步卫星所发出的电磁波能覆盖的范围：同步卫星的高度h=3.6×104km和地球的半径R=6400km，如图可得=0.51，α=81.30 ，2α=162.60，盖整个赤道需要的卫星数量为：=2.2。所以要实现全球通信至少要3颗同步卫星。

5.同步轨道上所允许放置的同步卫星的数量

地球的同步卫星只能分布在赤道正上方的同一条圆型轨道上，而为了卫星之间不相互干扰，大约3度角左右才能放置一颗卫星，所以地球的同步通讯卫星只能有120颗。

6.同步卫星的发射

同步卫星轨道高，直接用火箭沿直线发射到同步轨道，需消耗大量燃料，同时还要受发射场地的限制，所以通常采用变轨方式发射，下图是同步卫星发射的简化过程，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后在轨道上的一点P点火，使卫星突然加速，卫星将离心运动到椭圆轨道2运行，随着卫星离地心越来越远的同时，其速率也不断减小，在远地点Q再次点火，卫星突然加速，将卫星送入同步轨道3运行。