航天器被设计成在轨道飞机上扮演各种角色，这取决于它们被分配的高度。与地球同步赤道轨道（GEO）相比，卫星在近地轨道（LEO）的利用在许多方面都有所不同，如轨道速度、应用类型和实时数据的可用性。卫星在冲突期间的可用性在最近的俄罗斯-乌克兰战争中产生了一个新的层面。政府和非政府机构都在向乌克兰提供卫星数据。
一个典型的例子就是物联网（IoT）服务，其中乌克兰的互联网服务由在低地轨道运行的Starlink卫星提供，数百颗这样的卫星被发射出去，供乌克兰武装部队和普通民众使用互联网。
对于政府和非政府实体来说，在低地轨道和地球同步轨道的卫星中，哪一个能更有效地用于提供通信，一直是一个两难问题。
1.地球同步赤道轨道（GEO）
GEO卫星在距离地球表面约36,000公里（22,000英里）处运行，也被称为“地球静止卫星”。它们沿着与地球自转平行的路径运行，提供对特定区域的覆盖，平均需要约24小时，使天线更容易跟踪。这些卫星被称为地球静止轨道，因为它们以与地球相同的角速度移动，看起来是固定在一个位置。由于卫星看起来是在一个位置，所以天线不需要在太空中移动来追踪。地球同步轨道卫星为地球表面的有限区域提供覆盖，覆盖地球赤道上方或下方70度的纬度。
覆盖地球赤道上下70度的纬度。这些卫星在1964年首次用于NASA的Syncom III发射，为东京夏季奥运会提供全球电视报道。
地球的曲率阻碍了覆盖范围，静止的卫星无法到达极北或极南的地区，特别是地球的极地地区。然而，由于地球同步轨道卫星的尺寸，每颗卫星都覆盖了更大的表面，只需要三颗卫星就能提供完整的通信覆盖，其有效寿命周期约为15年。
低轨卫星为赤道以北或以南的地区提供覆盖。低地轨道卫星被安置在星座中，以确保几乎完全覆盖地球，从而允许进入地球静止轨道卫星无法进入的地区，如太平洋或极地地区。
2.近地轨道(LEO)
近地轨道卫星在地面以上160-2000公里处运行，距离地球静止轨道约22倍。卫星的高度使它们能够在轨道上高速运行，通信延迟低（30至50毫秒），平均延迟仅为0.05秒。这有助于在无线电波传播更短距离时以最小干扰实现稳定连接，使其比GEO更适合物联网应用。由于高度和飞行路径更短，与其他轨道相比，低地球轨道固有地降低了发射卫星的成本和时间。这是卫星体积小的直接结果，从而使其成本低、速度快。
低轨卫星为赤道以北或以南的地区提供覆盖。由于尺寸较小，低轨卫星被安置在星座中，以确保几乎完全覆盖地球，从而允许进入地球静止轨道卫星无法进入的地区，如太平洋或极地地区。除了提供更多的覆盖范围外，低轨卫星绕地球轨道运行的速度要快得多，在大约93分钟内完成一次完整的公转。这确保了它们能够在短时间内被观看，因此每个卫星之间的数据交换必须迅速，以确保与地球上的服务提供商之间的无障碍连接。图1提供了一个图形描述，以更好地理解情况。
图1：卫星轨道的高度分类
来源：“Satellite Technologies”，Electropaedia，https://www.mpoweruk. com/satellites.htm。2022年9月2日访问。
如上所述，GEO和LEO卫星都有各自的优势和劣势。重要的是要了解确定低地轨道或地球同步轨道卫星在各种通信应用中的表现的因素。下面给出的一些因素可以说明LEO和GEO卫星的性能：
延迟
由于低地轨道靠近地球，对于时间敏感的应用来说，低地轨道的延迟本来就比地球轨道低。在研究实时和互动应用时，延迟是最重要的，如军事应用和某些非军事应用。地球同步轨道卫星的延迟对军事应用的影响更明显，而不是对其他用户体验的影响。
覆盖范围
低轨卫星只有在集群中运行时才能提供足够的覆盖范围。然而，即使只有一颗卫星，GEO卫星也能提供显著的覆盖范围。这是一个在低轨轨道上选择更多功率更小、覆盖范围更小、体积更小的卫星，还是使用更少、更大、更强大的GEO卫星的问题。
效率
低轨卫星离地球更近，因此相对地球快速移动。这会自动导致在海洋和其他无人居住的地区花费大量时间。然而，与GEO卫星相比，这仍然是扫描更大地理区域的最佳选择。GEO卫星似乎位于相对于地球的一个位置，这使得GEO更适合更小、更聚焦的区域。
低轨卫星离地球更近，因此相对地球快速移动。这将自动导致在海洋和其他无人居住的地区花费大量时间。
成本
低地轨道卫星的组装和发射成本相对较低，尽管需要一个集群来实现高效和稳定的通信操作。相比之下，地球同步轨道卫星的尺寸更大，能力更强，但能够有效地以小数量运行。由于新兴技术的出现，预计这一领域的新创新将有助于在所有应用中大大降低其运行成本。创新和现代化不仅适用于地球同步轨道卫星，也适用于整个卫星行业。
航天保险机构AXA XL的一项研究（图2）表明，大多数卫星继续在低轨运行，卫星发射、特别是在低轨发射将继续增加。
图2: 卫星发射继续增加，特别是近地轨道卫星的发射
资料来源：“LEO与GEO中不断变化的风险格局”，Kratos，https://www.kratosdefense. com/constellation-podcast/articles/The-Changing-Risk-Landscape-in-LEO-vs-GEO。2022年8月25日访问。
一个关键点是，低地球轨道拥挤的太空如何为用户群体提供最多的服务，以及太空碎片和航天器碰撞的固有风险。有必要了解这些行动所涉及的风险和危险，以便国际社会能够努力实现太空安全和可持续性。
与成本高、覆盖范围广、寿命周期长、通信基础设施完善的地球同步轨道相比，低轨轨道具有部署速度快、覆盖范围大、成本低、延迟时间长等优点，太空碎片和交通管理的风险非常大。
就物联网服务而言，低地球轨道具有快速部署、更大覆盖范围、低成本和高延迟的优势，与成本高、覆盖范围有限、寿命周期长、通信基础设施完善的地球同步轨道相比，低地球轨的太空碎片和交通管理风险非常大。与近地轨道相比，多轨道运行和在轨服务的新技术使地球静止轨道更具可持续性。
3.对印度的启示
在印度，过去的太空业务和应用主要由政府控制。然而，随着太空、遥感和地球观测领域最新政策决策的制定，非政府机构开始涉足提供物联网服务。最近，英国公司OneWeb与印度公司Bharti Enterprises合作，宣布从印度发射低轨道卫星。在印度空间研究组织（ISRO）下设立印度国家太空促进和授权中心是一个值得欢迎的步骤。印度机构尤其是初创企业必须充分利用这一颠覆性技术领域，以在军事和非军事领域取得最佳效果。
最近，由于俄乌战争，LEO越来越多地走到提供互联网的前沿，但GEO长期以来一直是通信的支柱，并证明了自己。由于颠覆性和新兴技术日益增加，使运营更加容易，涉及到低地球轨道的太空可持续性问题，利用低地球轨道或地球轨道的实际效果还须等待未来才能看到。
作者：空中力量研究中心高级研究员，阿文德·潘迪空军上校。
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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