轨道选得好，太阳探测没烦恼

　　出品：科普中国
　　制作：李会超
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　你来人间一趟，你要看看太阳
　　和你的心上人，一起走在街上
　　了解她，也要了解太阳
　　——海子《夏天的太阳》
　　2021年10月14日，我国首颗太阳探测科学卫星＂羲和号＂成功发射升空，开启了我国的空间太阳观测新时代。
　　太阳，是距离我们最近的恒星，也是唯一一颗可以进行精细观测研究的恒星。
　　太阳活动会影响地球附近的空间天气状况，进而对航天、通信、导航等技术系统产生影响。因此，研究太阳，不但是我们获得新的天文科学发现的重要途径，也有防范化解空间天气灾害的现实意义。
　　＂羲和号＂发射成功后，人民日报微信立即发布了喜讯，有网友留言，赞叹运行在517公里高度太阳同步轨道上的＂羲和号＂技术超群，能够抵御住太阳的炙烤。
　　也许，这位网友顾名思义，把太阳同步轨道当做了一条围绕太阳运行的轨道，因此感叹卫星距离太阳如此近，还能正常工作。
　　人民日报微信推送下网友的留言
　　实际上，运行在太阳同步轨道上的卫星其实是围绕地球运行。除了太阳同步轨道外，也有太阳观测卫星工作在倾斜地球同步轨道、第一日地拉格朗日点的Halo轨道，甚至是抵近太阳或是飞出地球公转面的轨道上。
　　科学家和工程师们在进行任务规划时，会根据探测卫星的科学和应用目标、任务资源的限制，合理选择太阳观测卫星的工作轨道。
　　太阳同步轨道：在地球附近遥望太阳
　　我看过沙漠下暴雨
　　看过大海亲吻鲨鱼
　　看过黄昏追逐黎明
　　没看过你
　　——陈粒《奇妙能力歌》
　　太阳同步轨道是一类围绕地球运行的轨道。之所以获得＂太阳同步＂的名称，是因为这类轨道的轨道平面能够始终跟随太阳的步伐，在地球公转的过程中与太阳-地球连线的夹角保持不变。
　　工作在太阳同步轨道上的卫星经过同一纬度地区上空时，该地区的光照条件是大致相同的，不会出现＂这次经过是白天、下次经过就变成晚上＂的现象。太阳同步轨道的这类特性，使得它能够配合遥感卫星、气象卫星等完成对地面＂拍照＂的卫星工作。
　　例如，一颗对地遥感卫星如果想获得我国地面上白天的遥感数据，只需设计好轨道，就可以在每次经过我国上空时都获得较好的光照条件。
　　几百公里高度的太阳同步轨道倾角一般也比较高，轨道通过两极地区，经过一段时间的数据积累，就可以获得整个地球表面的遥感信息。
　　太阳同步轨道面示意图，红色的轨道面与太阳和地球的连线始终保持固定的夹角（图片来源：http://www-personal.umich.edu/ ceravolo/subsystems.html）
　　太阳同步轨道之所以具备这样的性质，是因为地球并非一个理想的球体。由于地面到地心的距离在赤道附近较大，而在南北两极较小，因此地球的引力场也不是理想的中心引力场，它会使卫星的轨道面绕着地球自转轴旋转。
　　对于太阳同步轨道，相同时间内轨道平面旋转的角度和地球绕太阳公转的角度恰好相同，因此轨道面就能同步地跟随太阳，与日地连线的夹角保持不变。
　　晨昏平面轨道示意图（图片来源：欧洲航天局）
　　太阳观测卫星选择的则是太阳同步轨道中一种特殊的轨道——晨昏平面轨道。这种轨道的平面位于地球的晨昏线附近，即地球表面处于黑夜和白天的两部分的分界线。
　　和其他取向的太阳同步轨道相比，工作在晨昏平面上的卫星不会被地球的阴影长时间连续遮挡。在这条＂黄昏追逐黎明＂的轨道上，卫星能够获得对太阳几乎不间断的观测机会。
　　除了＂羲和号＂外，以往国外研制的阳光（Yohkoh  ）  、日出（Hinode）、TRACE、IRIS等卫星，也工作在晨昏面上的太阳同步轨道上。我国研制计划发射的先进天基太阳天文台（ASO-S）也将使用这样的轨道。
　　用于观测太阳的＂阳光＂卫星，工作在地球附近的太阳同步轨道上 （图片来源：美国国家航空航天局）
　　＂宽带＂的选择：倾斜地球同步轨道
　　我怕时间太快
　　不够将你看仔细
　　——林忆莲《至少还有你》
　　2010年，美国NASA研制的＂太阳动力学天文台＂（SDO）卫星发射升空，开始对太阳进行观测。与以往的卫星相比，SDO的空间分辨率和时间分辨率都有了较大的提高。
　　如果把在多个波段上对太阳进行的综合观测简单地理解成＂拍照片＂，那么SDO能够拍摄的照片清晰度较高、相同时间内能够产生的照片数量相比以往的太阳观测卫星也有很大提高，卫星上的相机种类也更多。
　　SDO探测器能够观测的部分太阳图像，不同波长的图像反映了太阳在不同方面的信息（图片来源：美国国家航空航天局）
　　然而，在给太阳物理学家们带来精细的观测数据的同时，也给卫星与地面间的数据传输技术带来了很大挑战：SDO至少需要130Mbps的数据带宽。
　　SDO的倾斜地球同步轨道示意图（图片来源：美国国家航空航天局）
　　如果SDO卫星和＂羲和号＂一样，选择太阳同步轨道工作，虽然也能相对持续地观测太阳，但却无法和同一个地面测控站保持联系。
　　为了传回数据，太阳同步轨道上的卫星要么需要把数据先存储在卫星上，经过测控站上空时再集中下传；要么就需要切换＂基站＂，利用不同的测控站下传数据；或者是使用资源紧张的天基中继卫星。
　　这些途径都难以在可获取资源的基础上满足SDO的数据传输需求。因此，工程师们为SDO选择另外一条轨道：倾斜地球同步轨道。
　　SDO的星下点轨迹，形似一个8字，变化范围不大（图片来源：美国国家航空航天局）
　　和通信卫星常用的静止轨道一样，倾斜地球同步轨道上的卫星围绕地球旋转一圈的时间和地球的自转时间相同，约为24小时。
　　静止轨道的轨道平面与赤道面重合，而SDO则选择了一条与轨道平面与赤道夹角约为28.5度的轨道。
　　之所以让轨道倾斜，是为了获得比较连续的观测太阳的机会，不被地球的阴影遮挡。从地面站的视角看，天空中的SDO卫星不像静止轨道卫星一样，稳定地定位于一个不动的点。
　　然而，SDO在天空中的移动范围也颇为有限，不会超出单个测控站的覆盖范围。因此，SDO能够始终通过美国国家航空航天局在新墨西哥州白沙综合站的一个18米直径天线，与地面保持高速通信。
　　SDO的轨道高度大约为35800公里，比太阳同步轨道几百公里的高度要高出不少。轨道高度越高，发射同样重量的载荷就需要推进能力越强的火箭，发射成本也因此水涨船高。
　　如果太阳观测卫星的仪器数量相对比较少，对通信带宽的要求没有SDO这样高，太阳同步轨道就是一条＂经济适用＂的轨道了。
　　不间断的凝视太阳：日地第一拉格朗日点
　　嘿，别再灰心
　　请你相信，这个世界
　　总有人永远看着你
　　——棱镜/ 李奕遐《成长》
　　无论是诸多太阳观测卫星选择的晨昏面太阳同步轨道，还是SDO所使用的倾斜地球同步轨道，都会在一年中经历或长或短的＂日食季＂。在＂日食季＂期间，太阳每隔一段时间就会被地球遮挡。
　　以先进天基太阳天文台（ASO-S）为例，其计划使用的720公里高度的太阳同步晨昏轨道，在每年的5月中旬到8月，共约2.5个月的时间存在阴影。在此期间，围绕地球一圈的99分钟中，最长阴影时间为18分钟。
　　如果要想完全不受遮挡地观测太阳，获得完全连续的观测记录，还有一个可选的位置：日地第一拉格朗日点。
　　1772年，法国数学家拉格朗日计算发现，由两个大天体构成的系统中存在5个平衡点，此处的卫星相对于两个大天体的位置不随时间变化，这些点被称为＂拉格朗日点＂。
　　在日地系统中，日地第一拉格朗日点（日地L1点）位于地球和太阳中间，与地球的距离约为150万公里，大致相当于4倍的地月距离。此处的太阳观测卫星不但可以使用类似望远镜的遥感观测设备持续凝视太阳，还能利用距离采样观测设备，实地测量吹拂向地球的太阳风物质性质。
　　当太阳风暴爆发时，此处的卫星可以通过遥感观测发现太阳上的剧烈变化，帮助预报员提前做出判断，而局地测量仪器则可以在太阳风暴吹袭地球前，发出最后的预警。
　　通过相关数据的综合分析，还可以使我们搞清太阳风暴在向外传播的过程中究竟经历了怎样的变化。
　　日地系统中的5个拉格朗日点，最常用的为第一拉格朗日点（L1） (图片来源：美国国家海洋和大气管理局）
　　1978年，ISEE-3探测器成为第一个在日地第一拉格朗日点工作的太阳风探测器。虽然ISEE-3没有配备任何遥感观测设备，只有局地测量功能，但其验证了探测器在日地第一拉格朗日点工作的可能性，并收获了不少新科学发现。
　　到了1996年，相继奔赴日地L1点的SOHO卫星和ACE卫星，装备了种类、功能非常丰富的太阳遥感观测和局地测量仪器。
　　其中，SOHO卫星以遥感观测卫星为主，兼具局地测量功能；而ACE则专司局地测量。这两艘探测器相互配合，极大地改变了我们对太阳活动及其对地球影响的认识。
　　2015年，DSCOVR卫星被部署到日地L1点，作为逐渐老化的ACE卫星的备份，确保此地的太阳风局地测量能够持续地进行下去。
　　SOHO卫星围绕L1点的Halo轨道示意图，注意图中的长度比例与实际并不相符（图片来源：欧洲航天局）
　　在日地L1点工作的卫星，实际并不是固定在L1点，而是在L1附近的Halo（晕状）轨道上围着L1点＂兜兜转转＂。
　　虽然L1点的太阳观测条件优越，但在工程技术的实现上却有诸多的挑战，任务实施的难度更大：
　　首先，将卫星成功发射到距离地球150万公里的L1点并使之成为一颗环绕太阳的卫星，就需要推力极大的火箭和精准的深空测控技术；其次，与此处的卫星保持通信联系需要成熟可靠的深空测控网，以提供稳定充足的通信带宽。
　　除了日地L1点之外，空间物理学家们也提出了在L4、L5点，甚至能够凝视太阳背面的L3点部署观测卫星的设想和计划。
　　如果能够获得充足地资源支持、解决航天技术上的难题，使得这些设想能够变成现实，那么，我们将可以从多个角度对太阳实施立体观测，进一步增进我们对太阳的理解与认识。
　　更遥远的轨道：飞离地球，更接近太阳
　　外面的世界很精彩
　　我出去会变得可爱
　　外面的机会来得很快
　　我一定找到自己的存在
　　——周迅《外面》
　　2006年发射升空的STEREO＂双胞胎＂探测器，由两艘一模一样的探测器STEREO-A和STEREO-B组成。
　　它们工作在环绕太阳运行的轨道上，与地球的公转轨道处在同一个平面上。不过，STEREO-A与太阳的距离相对地球要短一些，STEREO-B则要长一些。这样，STEREO-A公转的角速度略快于地球，STEREO-B则略慢于地球。
　　随着时间的流逝，两颗卫星开始逐步分离，可以从不同的角度观测太阳。2011年2月6日，两颗卫星的夹角达到了180度，人类第一次同时看到了整个太阳球面的完整图像。
　　2011年2月6日STEREO-A/B星（蓝点和红点）及地球（绿点）的位置。STEREO-A/B星之间的夹角已经达到180度（图片来源：美国国家航空航天局）
　　2018年发射的帕克太阳探测器，在进入环绕太阳运行的轨道后，则通过金星的引力场实现借力飞行，逐步降低自身的轨道高度，前所未有地接近了太阳，为科学家们带来太阳风发源地的实地测量信息。
　　未来，帕克太阳探测器与太阳中心的距离最小可以达到630万公里，这已经是目前的航天技术能够达到的接近太阳的极限。关于帕克太阳探测器，我们之前做过详细的介绍，感兴趣的读者可以参阅《＂我，尤金·帕克，决定把它叫做太阳风！》https://mp.weixin.qq.com/s/1peIqNi03gq61j4Llz8tFw
　　至于2020年初发射的太阳轨道探测器，则首次携带遥感观测仪器，从地球公转的轨道平面上跃出，在效果更好的角度观测太阳南北两极的磁场和等离子体情况。
　　孕育太阳风暴的太阳活动区，大都在较低的纬度出现，在地球的公转轨道面内就能获得比较理想的观测效果。然而，太阳南北两极的磁场对于日球层中磁场和太阳风的整体结构存在至关重要的影响影响，而那里却一直是以往探测的空白。
　　太阳轨道探测器的观测，将可以为我们带来这里的新信息。有兴趣的读者亦可参阅《太阳的两极，Solar Orbiter将第一次帮人们看清》http://www.kepu.net.cn/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_2020/202002/t20200210_484448.html。
　　结语
　　Oh God thy sea is so great and my boat is so small.
　　—— Old Breton fisherman＂s prayer
　　（神啊，你的海洋如此辽阔，我的船却如此渺小。
　　——古老的布列塔尼渔民的祈祷）
　　和不少航天任务一样，太阳观测卫星对于轨道的选择，也会在实现科学目标与资源条件允许之间找到一个最优的平衡。
　　随着航天技术的发展，未来可能还会有新的轨道供科学家们选择，来满足人类的好奇心，也为保护地球不受太阳风暴危害作出更多贡献。