**摘要：从轨道规律、星上系统到多星协同，沿着卫星执行任务的过程，看懂轨道动力学与卫星系统的整体脉络。
一艘远洋科考船，拖轮只负责把它送出港口；驶入大洋之后，才需要持续规划航线、监测船载仪器，多船编队时还要互相配合。火箭把卫星送入轨道，也只是把它送到任务起点。接下来要解决的，是轨道怎么选、卫星怎样工作、多颗航天器怎样协同。
01｜先决定它怎么飞
轨道不只是一个高度数字。它的形状和方向，会影响卫星经过哪些地区、何时再次飞过目标，以及能否获得任务需要的观测条件。
牛顿引力和开普勒规律给了我们理解轨道的起点。在理想模型中，航天器的轨迹可以是圆、椭圆、抛物线或双曲线。描述一条轨道，还需要知道它有多大、形状如何、朝向哪里，以及航天器此刻运行到了什么位置；轨道六要素就是为此而用的。
常听到的“低轨、中轨、高轨”主要按高度区分；“地球同步轨道”关注运行周期与地球自转的关系；“太阳同步轨道”则利用轨道面的缓慢转动，让卫星经过同一地区时保持相近的当地太阳时。这些名称回答的是不同问题，可以同时用来描述一条轨道。
图1 轨道如何选择
理想轨道是一张底图，真实太空还会不断在上面留下改动。地球并非完美球体，低轨仍有稀薄大气；月球和太阳的引力、太阳光压，也会逐渐改变卫星的运动。高层大气、电离层和辐射带中的粒子环境，以及空间碎片，还关系到设备能否安全工作。因此，卫星入轨后仍要接受跟踪测定，并在需要时修正轨道。
图2 真实轨道环境
有些任务还要求卫星主动换轨。在理想的共面圆轨道之间，霍曼转移是一种经典做法：航天器通过两次速度改变，借助一段与内、外两条圆轨道相切的椭圆弧完成转移。
换轨只是第一步。如果目标是另一艘正在运动的航天器，拦截要求双方在同一时刻到达同一位置；交会还要把相对速度降下来，为安全接近创造条件。
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02｜再让它在轨道上工作
选对轨道，卫星还得在上面完成任务。可以把卫星看成相互配合的两部分：平台维持运行，有效载荷执行任务。
平台提供结构支撑、电力、温度管理、测控通信、数据处理、推进和姿态控制等能力。有效载荷则决定这颗卫星要做什么：通信卫星转发信号，气象和遥感卫星观测地球，导航卫星提供定位与授时；空间科学和技术试验任务也各有自己的仪器。
图4 卫星平台与有效载荷
卫星还需要不断知道自己的状态，再作出调整。传感器获取位置、速度和朝向等信息，星上计算机处理数据，执行机构按指令动作，形成“测量—判断—执行”的闭环。
这里有两个容易混在一起的控制问题：**轨道控制关心卫星的质心沿什么轨迹运动；姿态控制关心卫星朝向哪里。**推力器可以改变轨道，也能参与姿态调整；飞轮主要用于调整姿态。卫星能否把载荷对准目标，靠的就是这些系统协同工作。
图5 星上闭环控制
03｜最后，让多颗航天器协同
当两艘航天器都在轨道上，分别知道它们“绕地球怎么飞”还不够，还要知道它们相对彼此怎么动。这是交会对接、编队飞行和集群飞行共同的起点。
交会对接要从远距离引导，逐步走向近距离接近、最终逼近和对接。编队飞行则让多颗航天器维持约定的相对构型，一起完成任务。它们可以共同组成一套尺度远大于单颗卫星的测量系统。
一个实际例子是 NASA 的GRACE 双星：两颗卫星一前一后飞行，通过测量星间距离的细微变化，探测地球重力场的变化。NASA 的任务说明展示了多颗卫星怎样共同充当一件科学仪器。
集群飞行更灵活。航天器保持信息联系和任务协作，却不必始终维持固定队形。绳系、太阳帆和利用洛伦兹力的方案，也拓展了轨道控制与多星协同的手段。
图6 多星协同
从轨道选择，到单星工作，再到多星协同，卫星任务是一条连续的链：要到得了合适的位置，也要在那里稳定工作；需要合作时，还要与其他航天器准确配合。
下一篇，我们从一个基础却常让人困惑的问题开始：卫星明明一直受地球引力，为什么没有撞上地球？
