近地光学遥感卫星采用可见光对地观测，为了获得良好的光照条件，通常采用太阳同步轨道，所谓的太阳同步轨道，是指卫星的轨道平面围绕地球转动的方向和转动的角速度与地球围绕太阳公转的方向和平均角速度保持一致，它的最大特点是卫星经过地球上同一地点的时间相同。例如卫星上午10点飞经北京上空，而下一次它飞经北京上空的时间还是上午10点。太阳同步轨道也叫极地轨轨道，表示卫星每圈都有相当时段经过南、北极上空，考虑到人们更关心赤道两侧人类集中的区域，极区的卫星图像用处小，而如果采用接近赤道的倾斜轨道，卫星经过的下方通常都是有用的观测区域，明显感觉可以提高卫星的利用效率，实际上也有一些遥感卫星就是采用倾斜轨道，但更多的遥感卫星仍然采用太阳同步轨道，它们具体有什么区别，本文进行了仿真分析，对它们应用效果进行了比较。
仿真条件
01
我们选取了三个近地卫星星座，每个星座一个轨道面、4颗卫星，卫星轨道和目标在空间的分布如图1所示，具体参数如下：
一轨道星座1：高度km太阳同步轨道，4颗卫星在轨道面内均匀分布，降交点地方时10:30；
星座2：高度km、倾角53°倾斜轨道，4颗卫星在轨道面内均匀分布；
星座3：高度km、倾角30°倾斜轨道，4颗卫星在轨道面内均匀分布；
二卫星姿态所有卫星的姿态最大侧摆角45°；
三地面目标经度0°、纬度分别是0°、20°、30°、40°、50°和60°的6个目标；
经度°、纬度分别是0°、20°、30°、40°、50°和60°的6个目标；
四光照条件地面目标光照太阳角限制在20～90°。
图1仿真条件下的卫星和地面目标分布
目标观测次数统计
02
表1是上述三个星座对不同目标在1年内的观测次数统计，可以看出：
30°倾斜轨道星座观测目标的次数最多，特别是对纬度30°的目标，但对于纬度超过30°的目标不可见；
53°倾斜轨道星座，在低纬度地区观测次数最少，对于纬度40°～50°的目标，观测次数增多，特别是对纬度50°的目标，但对于纬度超过50°的目标不可见；
太阳同步轨道星座，随着纬度的增加，次数增加，但即使在纬度60°的最大值，也只约是30°倾斜轨道或50°倾斜轨道的最大值的一半；
目标的经度对观测次数有影响，但不大。
表1不同星座对目标观测次数统计
目标长期观测时段分布
03
图2是3个星座1年观测时段的分布，可以看出：
太阳同步星座在观测次数在1年内均匀分布，对目标天天可见；
30°星座1年有16个对目标持续不可见的中断时段，一次中断时间持续4～5天；
53°星座1年有12个对目标持续不可见的中断时段，一次中断时间持续6～8天。
30°星座
50°星座
太阳同步星座
图2可观测时间段分布
目标短期观测时间分布
04
我们在3个星座都对目标可视的时段内选择数天，统计它们对经度°、纬度20°的目标观测次数，结果如表2所示，可以看出：
在一天时间内，30°星座可以观测的次数最多；
太阳同步星座对目标的观测时间分布基本接近降交点地方时；
30°星座对目标的观测时间跨度较大，从早上8点到下午16点；
53°星座对目标的观测时间跨度也较大。
表2单天内观测时间统计
通过上述目标长期观测时段分布和短期时间分布的分析，可以看出，尽管倾斜轨道卫星在纬度接近倾角的目标处的观测次数明显增多，但存在着连续几天不可见时段的缺点。
一种克服倾斜轨道观测时段断续的办法
05
倾斜轨道存在目标不可见时段的原因
图3显示了不同时段倾角30°的倾斜轨道的光照条件，左图光照条件好，因此卫星经过的星下点附近的目标很容易满足太阳角大于20°条件，而右图卫星的轨道接近晨昏轨道，光照条件差，这一段星下点附近地面目标很难满足太阳角大于20°条件，因此对目标不可见。倾角30°的倾斜轨道的光照条件就在上述好与差之间变化，产生了对目标的周期性可见和不可见。
光照条件好
光照条件差
图3倾斜轨道光照条件示意
克服倾斜轨道目标不可见时段方法
知道了引起倾斜轨道观测时段断续的原因，可以采用升交点经度不同的多个轨道面，将每个星座的断续时段错开，就可以避免一段时间整个星座对地目标不可观测现象。图4是两个升交点经度相差90°星座对同一目标一个月可视次数统计，可以看出，第一个星座前半段有连续7天时间对目标不可见，第二个星座后半段有连续7天时间对目标不可见，这两个星座合起来，就没有连续断续现象了。
图4升交点经度相差90°两个星座一个月对目标可视次数统计
结论
06
通过我们上述的仿真分析，可以得出以下基本结论：
（1）光学遥感卫星采用太阳同步轨道和倾斜轨道都能够对地面目标进行观测，采用太阳同步可以对全球几乎任意地点进行观测，观测同一地点的光照条件基本一致；采用低倾角轨道，可以对地面纬度接近倾角的目标获得最大的观测次数，该值接近太阳同步轨道可观测次数的2倍，但当地面目标纬度超过倾角值时，卫星无法观测；
（2）太阳同步星座可以在一段时间内对目标连续可见，倾斜轨道星座存在不可见时段，倾角越低，不可见时段越多；
（3）在一天时间内，倾斜轨道对地面纬度接近倾角的目标可见次数多，可见时间分布范围较大，太阳同步星座对目标的可见时间基本与降交点地方时一致；
（4）为克服倾斜轨道星座存在不可见时段，可以采用升交点经度不同的多个轨道面，将每个星座的断续时段错开，就可以避免任意一段时间整个星座对地面目标不可观测现象。
文/图：刘畅
编辑：刘玲
校对：马滢淑
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