有关地球同步卫星几个问题的问答

一、为什么同步卫星的轨道与地球赤道共面？

假设卫星发射在北纬某地的上空的B点，其受力情况如图1所示，由于该卫星绕地轴做圆周运动所需的向心力只能由万有引力的一个分力提供，而万有引力的另一个分力就会使该卫星离开B点向赤道运动，除非另有一个力恰好与平衡（但因没有施力物体，所以是不存在的），所以卫星若发射在赤道平面的上方（或下方）某处，则卫星在绕地轴做圆周运动的同时，也向赤道平面运动，它的运动就不会稳定，从而使卫星不能与地球同步，这种卫星就不是地球同步卫星，所以要使卫星与地球同步运行，必须要求卫星的轨道与地球赤道共面。

如果将卫星发射到赤道上空的A点，则地球对它的万有引力F全部用来提供卫星绕地轴做圆周运动所需要的向心力，此时若能保证卫星的一定轨道半径，则卫星就能够以与地球相同的角速度绕地轴旋转，此时该卫星才能够“停留”在赤道上空的某点，实现与地球的自转同步，卫星就处于一种动态平衡状态中。

二、为什么所有同步卫星的高度都是一样的？

如上所述，发射在赤道上空的同步卫星，它受到的唯一个力——万有引力，提供卫星绕地轴运转所需的向心力，当卫星的轨道半径r（或离地面的高度h）取某一定值时，卫星绕地轴运转就可以与地球自转同步，两者的周期均为24小时。

设地球质量M,地球半径为,卫星质量为m,离地面的高度为h，则有：G=m=m得：h=

将=6400Km,G=6.67N,M=6.0kg,T=24h=86400s代入上式得：h=3.6km

因为所有同步卫星的周期相同，所以它们距离地面的高度相同（均为h=3.6km），必然定位于赤道上空的同一个大园上，赤道上空的这一位置被科学家们喻为“黄金圈”，是各国在太空主要争夺的领域之一。

三、各国发射的同步卫星会相撞吗？

由上述的分析可知：既然所有的同步卫星都在距地面的高度均为h=3.6km的大圆上，那么由G=m可知，它们的速度也都相同，为3.1km/s这些卫星就如同在同一跑道上以相同速度跑步的运动员一样不会出现后者追上前者的现象。因此只要发射时未撞上，以后也不必担心会相撞。

四：为什么至少发射三颗地球同步卫星且对称分布在同一轨道上，才能实现全球通信？

我们已经知道，地球同步卫星与地球的自转周期相同，其数值均为T=24h,因此必须保证同步卫星的轨道半径r(或离地高度h)一定，即h=3.6km,如图2所示，地球同步卫星发射的电磁波沿直线传播，所以一颗地球同步卫星所发出的电磁波能覆盖赤道上下方的范围是DE.由图可知=则=所以DE对应的圆心角2=162.6，覆盖整个赤道至少需要的卫星个数为n==2.2.因此，要实现全球通信，至少需发射三颗地球同步卫星且对称分布在同一轨道上（如图3）