低地球轨道（Low Earth Orbit），简称LEO，是距离地球表面相对较低的轨道区域。它不像地球同步轨道（GEO）那样遥远，也不像中地球轨道（MEO）那样高，但却是目前人类卫星活动最密集、最活跃的区域。理解LEO轨道是什么、它位于何处、为何受到青睐以及如何在其中运行，对于认识现代航天技术至关重要。
什么是LEO轨道？
LEO轨道没有一个精确的、国际公认的单一界限，但通常定义为轨道高度在地面以上约160公里（国际空间站的最低运行高度附近）到约2,000公里之间的圆形或椭圆形轨道。
典型高度范围
绝大多数在LEO运行的卫星，包括国际空间站（ISS）、大多数对地观测卫星、气象卫星以及近年来爆炸式增长的通信星座（如Starlink、OneWeb），其运行高度都集中在200公里到1,000公里之间。高于1,000公里的LEO轨道虽然也存在，但使用相对较少，因为会增加轨道衰减的时间，同时也远离了稠密的低层大气层。
轨道速度
为了在这样的低高度克服地球引力并保持稳定运行，卫星需要极高的速度。在LEO轨道上，卫星的轨道速度大约在每秒7.8公里到每秒7.9公里（即约每小时28,000公里）左右。高度越高，所需的速度略有下降，但变化不大。正是这种高速度使得卫星能够“持续下落”却又不会撞向地面，形成绕地球的持续运动。
LEO轨道的分类与特点
LEO轨道并非千篇一律，根据其相对于地球赤道的倾角（轨道平面与地球赤道平面的夹角），可以分为不同的类型，每种类型都有其独特的用途和优势。
轨道倾角的影响
轨道倾角决定了卫星能够覆盖的地球纬度范围。倾角为0度的轨道位于赤道平面上，只能覆盖赤道附近区域。倾角为90度的轨道称为极地轨道，会经过地球的南北两极，理论上可以覆盖地球上的任何一点。大多数LEO卫星的倾角介于20度到100度之间。
极地轨道（Polar Orbit）
倾角接近90度的轨道是极地轨道。运行在极地轨道上的卫星，在绕地球飞行的过程中，地球本身在其下方旋转。这意味着卫星在每次绕行时，会飞越地球上不同的经度区域，最终覆盖整个地球表面。这对于需要全球覆盖的任务（如气象观测、对地遥感、侦察）非常有用。
太阳同步轨道（SSO/SSSL）
太阳同步轨道是一种特殊的极地或近极地轨道。通过精确选择轨道高度和倾角，利用地球非球形引力场（地球赤道隆起）产生的轨道平面进动效应，使得轨道平面相对于太阳的方向保持相对固定。这意味着卫星总是在地方时大致相同的时刻飞越地球上的特定区域，例如，总是在上午10点左右飞越某个城市。这对于需要稳定光照条件进行成像的对地观测卫星（如资源勘探、环境监测卫星）至关重要，因为可以确保在不同日期获取的图像具有相似的光照和阴影条件，便于比较和分析。
倾斜轨道
许多通信卫星星座，为了服务特定纬度范围（例如，覆盖人口稠密的温带地区），或者为了优化星间链路和地面站覆盖，会采用非极地的倾斜轨道，倾角可能在20度到80度之间。例如，国际空间站就运行在一个约51.6度的倾斜轨道上，以便于俄罗斯、美国、欧洲等主要参与国的地面站进行通信和发射任务。
在LEO轨道上如何？
在LEO轨道上运行卫星并非仅仅是将其推到指定高度和速度那么简单，还需要克服多种物理效应并进行持续管理。
如何在LEO轨道上运行？
卫星在轨道上运行是地球引力与卫星自身速度达到动态平衡的结果。地球引力不断将卫星拉向地面，而卫星的高速度则使其具有向外的惯性运动趋势。两者相互作用，使得卫星沿着一个持续“下落”但其路径是弯曲的、环绕地球的轨迹运动。这被称为“自由落体”，宇航员在空间站中感受到的失重就是这种自由落体状态。
LEO轨道的周期是多少？
由于LEO轨道高度较低，卫星绕地球一周所需的时间相对较短。在约400公里高度的国际空间站，绕地球一周大约需要90分钟。在2000公里高度的LEO边缘，绕地球一周大约需要120分钟。这意味着LEO卫星每天会多次绕地球运行。
LEO轨道为何会受到阻力？
尽管LEO轨道被称为“太空”，但并非完全真空。在160公里到1000公里的高度，仍然存在极为稀薄的大气分子。这些分子与高速飞行的卫星发生碰撞，产生微小的阻力，称为“大气阻力”（Atmospheric Drag）。虽然阻力很小，但长时间的累积效应会导致卫星轨道高度逐渐降低，速度略微加快，最终可能螺旋式下降直至再入大气层烧毁。阻力的大小与大气密度、卫星的形状和面积有关，且大气密度会随太阳活动周期性地膨胀和收缩，导致阻力变化。
如何在LEO轨道上维持姿态和位置？
为了抵消大气阻力并保持在目标轨道上，LEO卫星需要进行“轨道维持”（Stationkeeping）机动。这通常通过启动小型推进器（例如，使用肼或氙作为推进剂）来略微提升轨道高度或调整速度。对地观测卫星和通信卫星也需要精确控制其朝向（姿态），以将传感器对准地球或将天线指向地面站，这通常通过反作用轮（Reaction Wheels）或磁力矩器（Magnetorquers）等方式实现。国际空间站则定期使用自带的推进器或对接的货运飞船的推进器进行轨道提升。
为何选择LEO轨道？
尽管LEO轨道存在大气阻力等挑战，但其相对于更高轨道（MEO、GEO）拥有多个显著优势，使其成为多种类型卫星的首选。
相对较低的发射成本
将卫星送入LEO轨道所需的能量远少于送入更高轨道（如地球同步转移轨道GTO或地球同步轨道GEO）。能量需求的降低直接转化为火箭推进剂消耗的减少和运载能力的提升，从而显著降低了单公斤载荷的发射成本。这也是近年来大型LEO通信星座能够大规模部署的重要经济因素。
将物体送入轨道的能量与轨道高度密切相关。LEO只需要达到第一宇宙速度（约7.9 km/s）并在低空维持，而GEO需要达到第二宇宙速度（约11.2 km/s）并经过复杂的转移过程，所需总能量和速度增量（Δv）要高得多。
更低的信号延迟（低延迟）
由于距离地面较近，LEO卫星与地面站之间的信号传输距离非常短，通常只有几百到两千公里。这导致通信信号的往返延迟（Round-trip Latency）非常低，通常在几毫秒到几十毫秒之间。这与GEO卫星的往返延迟（超过240毫秒，因为距离地面约36000公里）形成鲜明对比。低延迟对于实时交互应用（如视频会议、在线游戏、金融交易）至关重要，是LEO通信星座相对于GEO卫星的核心优势之一。
更高的地面图像分辨率
对地观测卫星在LEO轨道运行，距离地面更近，能够以更高的分辨率拍摄地面图像。同样的光学系统，在更近的距离能够区分更小的地面细节。这是大多数高分辨率遥感、测绘和侦察卫星选择LEO轨道的主要原因。
更低的通信功率需求
由于距离地面近，LEO卫星向地面发射信号所需的发射功率以及地面站接收LEO卫星信号所需的增益都相对较低。这可以降低卫星和地面设备的复杂性和成本。
适合哪些任务？
鉴于LEO轨道的特点和优势，它特别适合以下类型的任务：
- 对地观测/遥感：需要高分辨率图像、全球覆盖（使用极地或SSO）以及频繁重访（利用高轨道速度和多圈次）。
- 通信星座：需要低延迟和高带宽，通过部署大量卫星组成星座实现全球或区域连续覆盖。
- 科学研究：例如空间望远镜（如哈勃空间望远镜）、地球物理探测、大气研究等，可能需要低轨道以便于观测或与地面通信。
- 载人航天：国际空间站和中国的空间站都运行在LEO，因为较低的高度更容易通过火箭进行人员和物资补给，且受范艾伦辐射带影响较小（辐射带主要位于MEO和GEO）。
- 技术验证卫星：新技术的在轨验证通常会选择LEO作为首个部署轨道，因为发射成本较低且便于跟踪和通信。
如何到达LEO轨道？
将卫星送入LEO轨道是一个复杂且精确的工程过程，主要依赖于多级运载火箭。
多级火箭发射过程
绝大多数航天发射都采用多级火箭。其基本原理是在每一级燃料耗尽后将其抛弃，以减轻载荷，使剩余级能够以更高的效率加速。
- 第一级：提供起飞时的巨大推力，将火箭快速推离地面并穿过稠密的大气层。在大气层外缘或更高处完成任务后分离。
- 第二级（或更多级）：在第一级分离后点火，继续加速火箭，使其达到接近入轨所需的速度。通常在这一级完成将卫星送入初步轨道的任务。
- 上面级（Payload Adapter/Stage）：在第二级或更高处点火，进行最后的轨道修正或入轨机动，将卫星精确地送入目标LEO轨道，并最终释放卫星。
整个发射过程需要精确控制火箭的飞行姿态、发动机推力以及点火和关机时机，以确保卫星在正确的高度和方向上达到所需的轨道速度。
入轨精度要求
虽然LEO轨道的高度范围相对宽泛，但对于具体的卫星任务，往往需要被送入一个非常精确的目标轨道，包括高度、倾角、偏心率等参数。入轨偏差可能会影响卫星的任务效能、寿命规划以及与其他卫星的轨道协调。因此，运载火箭的上面级扮演着至关重要的角色，需要在极短的时间内完成高精度的机动。
LEO轨道的容量与挑战
随着航天技术的发展和商业航天公司的兴起，LEO轨道的使用量正在爆炸式增长，这也带来了新的挑战。
LEO轨道有多少卫星？
历史上，LEO轨道的卫星数量增长相对缓慢。但近年来，随着大型商业通信星座的部署（计划部署数万颗卫星），LEO轨道变得越来越拥挤。截至2023年底，在轨运行的卫星总数已超过9000颗，其中绝大多数位于LEO。这一数字还在快速增长。
空间碎片问题
LEO轨道拥挤带来的最大问题是空间碎片。空间碎片包括报废的卫星、火箭残骸以及卫星碰撞产生的碎片。即使是很小的碎片，由于其与在轨卫星之间存在巨大的相对速度（可能高达每秒十几公里），也可能对运行中的航天器造成毁灭性的损害。凯斯勒现象（Kessler Syndrome）描绘了一种可怕的场景：碎片密度达到一定程度后，碰撞会连锁反应，产生更多碎片，最终使得某些轨道区域无法安全使用。LEO轨道由于其拥挤性，是空间碎片的主要关注区域。
如何管理LEO交通？
为了应对空间碎片和碰撞风险，对LEO轨道上的物体进行跟踪和管理变得日益重要。地面雷达和光学望远镜系统持续监测着LEO轨道上数万个大小不同的物体。通过轨道预测，可以识别潜在的碰撞风险，并在必要时对卫星进行机动避让。国际上也在制定和完善空间交通管理规则和指导方针。
LEO卫星的寿命与处理
LEO卫星的寿命通常比GEO卫星短，部分原因是大气阻力的影响，以及商业任务更新换代快。为缓解空间碎片问题，国际机构和航天国家普遍呼吁LEO卫星在其任务结束后，应在25年内从轨道上移除。移除方式包括：
- 被动移除：将卫星降低到足够低的高度（例如300公里以下），让大气阻力使其在几年或十几年内自然再入大气层烧毁。
- 主动移除：使用卫星自带的推进系统进行受控再入，或由专门的服务航天器进行捕获和移除。
受控再入通常用于大型航天器（如空间站），以确保其残骸坠落在预定的安全区域（如南太平洋无人区）。
总结
LEO轨道以其独特的高度范围、高速特性以及由此带来的低延迟、高分辨率、低成本等优势，成为目前最繁忙、最有价值的轨道区域。从对地观测到全球通信，再到载人航天，LEO轨道承载着大量重要的航天任务。然而，日益严重的轨道拥挤和空间碎片问题也对LEO的可持续利用构成了严峻挑战，需要全球共同努力进行轨道管理和碎片减缓。理解LEO轨道的具体技术细节和运行方式，有助于我们更深入地认识人类在太空中的活动及其面临的机遇与挑战。
