[0001] 本发明涉及航天卫星领域，具体为卫星在轨运行方法及卫星变轨方法和旋转卫星。

[0002] 从牛顿万有引力定律就能推导出，在地球表面上扔出一个物体，只要速度大于7.9㎞/s,物体就能摆脱地球引力的束缚逃逸脱离地球而去（不考虑空气阻力等情况下），距离地球表面越远所需要的逃逸速度会越慢，在某一个距离上物体的逃逸速度等价于地球对物体的牵引速度时，物体便围绕地球做圆周或椭圆轨道运动。这是发射卫星的基本原理，在航空航天领域把7.9㎞/s定义为第一宇宙速度，或者说是航天器的最小发射速度。

[0003] 就人造地球卫星来说，其轨道按高度分低轨道和高轨道，按地球自转方向分顺行轨道和逆行轨道。这中间有一些特殊意义的轨道，如赤道轨道、地球同步轨道、对地静止轨道、极地轨道和太阳同步轨道等。

[0004] 卫星的作用是利用光或电磁通信技术的基本原理，根据需求经过特殊设计的人造卫星在轨对光或电磁波进行接收并反馈到地面接收中心进行信息接收应用，可以对地面和外太空进行长期或周期性监测的接收信息并反馈、也可以自发自收信息的自持反馈、还可以地面发信息卫星接收后再转发回地面的中继反馈，卫星在很大程度上完成我们在地面上难以完成的或是需要花更大代价才能完成的通信工作。

[0005] 卫星的分类根据不同的应用场景大致可以分为三类：技术试验卫星：卫星的应用通常需要组网的，在正式发射前先在地面能满足的条件下进行各项试验，或组网前先发射一些试验卫星从而大幅降低试错成本和风险。科学卫星：这类卫星应用于天文观测，如装载望远镜等仪器对宇宙空间的天体进行观测研究，比起地面上的天文望远镜，由于地外空间没有大气层的干扰，望远镜能获得更佳的观测效果。目前的科学卫星还开展空间生物实验和微重力等实验。应用卫星：这是所有卫星中发射最多的一类，应用卫星根据用途可分为通信、观测、导航三大类：通信卫星用于国际通信卫星、国内通信卫星、海事通信卫星、广播卫星、跟踪和数据中继卫星等；观测卫星用于对地球观测的各种对地遥感卫星，如气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星等；导航卫星用于定位、导航和大地测量基准定位，如北斗导航卫星、GPS、无线电定位卫星和测地卫星等。

[0006] 1.由于天体的结构物质密度和地势分布不均等原因，卫星在运行过程中会受到空间环境的影响，例如地球非球形的形状摄动，大气阻力摄动，太阳光压摄动，日、月引力摄动等，这些摄动常常会影响卫星的轨道、影响卫星的姿态、以及使轨道会产生偏移，针对这一情况，现目前都是需要卫星自带的动力装置给予适当地调整；‌2.不同轨道高度的卫星环绕速度也会有所不同，其轨道周期不同，其中唯有位于赤道上高度距离地面35786km这一条静止轨道卫星，在这个轨道高度可以实现相对静止；其他轨道高度的卫星会存在轨道周期过短或过长；
3.现目前的卫星，为了防止与其他不同的卫星相撞，相同轨道或不同轨道的卫星
之间分别需要保持很大的安全距离；再加上至今为止报废的航天器和卫星以及停留在太空的太空垃圾，太空碎片的数量在不断增加，目前环绕地球轨道的碎片数量已超过1.6亿个，且这些碎片大小不一，让地球轨道变得“拥挤”，能够给未来发射新的卫星的“空白”区域越来越少。

[0024] 为了使得本公开的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本公开具体实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

[0025] 附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0026] 基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

[0027] 本发明卫星在轨运行方法，如图1所示，包括：轨道卫星在轨道高度35786km为第一高度信息，获得所述第一高度信息的第一环绕速度信息，该环绕速度信息为第一长度信息；获取旋转卫星所处轨道的第二高度信息，并根据所述第二高度信息获得与之对应
的第二环绕速度信息；该第二环绕速度信息为第二长度信息；利用所述第一长度信息和所述第二长度信息得出第一差异长度信息；
获取所述旋转卫星旋转一圈的周长信息；并根据所述第一差异长度信息和所述周
长信息得出所述旋转卫星的第一旋转信息；
将所述旋转卫星在轨道以第一转速保持自身旋转状态；该第一转速的转速为第二
旋转信息，所述第二旋转信息为所述第一旋转信息的N倍，N为自然数或小数或负数。

[0028] 进一步的，所述第二旋转信息为第二差异长度信息，利用所述第二差异长度信息替代所述第一差异长度信息。

[0029] 进一步的，所述旋转卫星的自身旋转状态为逆时针旋转或顺时针旋转。

[0030] 进一步的，所述旋转卫星的旋转与所处轨道的环绕形成复合运动。

[0031] 进一步的，当所述旋转卫星的轨道高度高于所述35786km时，所述旋转卫星的自身旋转状态为逆时针旋转；当所述旋转卫星的轨道高度低于所述35786km时，所述旋转卫星的自身旋转状态为顺时针旋转。

[0032] 本发明卫星变轨方法，如图2所示，包括：轨道卫星在轨道高度35786km为第一高度信息，获得所述第一高度信息的第一环绕速度信息，该环绕速度信息为第一长度信息；获取旋转卫星所处轨道的第二高度信息，并根据所述第二高度信息获得与之对应
的第二环绕速度信息；该第二环绕速度信息为第二长度信息；利用所述第一长度信息和所述第二长度信息得出第一差异长度信息；
获取所述旋转卫星旋转一圈的周长信息；并根据所述第一差异长度信息和所述周
长信息得出所述旋转卫星的第一旋转信息；
将所述旋转卫星在轨道以第一转速保持自身旋转状态；该第一转速的转速为第二
旋转信息，所述第二旋转信息为所述第一旋转信息的N倍，N为自然数或小数或负数。

[0033] 进一步的，所述第二旋转信息为第二差异长度信息，利用所述第二差异长度信息替代所述第一差异长度信息。

[0034] 进一步的，所述旋转卫星的自身旋转状态为逆时针旋转或顺时针旋转。

[0035] 进一步的，所述旋转卫星的旋转与所处轨道的环绕形成复合运动。

[0036] 进一步的，当所述旋转卫星的轨道高度高于所述35786km时，所述旋转卫星的自身旋转状态为逆时针旋转；当所述旋转卫星的轨道高度低于所述35786km时，所述旋转卫星的自身旋转状态为顺时针旋转。

[0037] 进一步的，还包括：获取目标轨道的第三高度信息，并根据所述第三高度信息获得与之对应的第三环
绕速度信息；该第三环绕速度信息为第三长度信息；利用所述第三长度信息和所述第一长度信息得出第二差异长度信息；
提高或降低所述旋转卫星的自身旋转速度，并使所述旋转卫星进入所述目标轨
道；
根据所述第二差异长度信息和所述周长信息得出所述旋转卫星的第三旋转信息；
将所述旋转卫星在所述目标轨道以第二转速保持自身旋转状态；该第二转速的转
速第四旋转信息；所述第四旋转信息为所述第三旋转信息的N倍，N为自然数或小数或负数。

[0038] 进一步的，当所述目标轨道的所述第三高度信息低于所述第一高度信息，所述旋转卫星顺时针旋转；在所述旋转卫星进入所述目标轨道前先将所述第一转速提高为第三转速，该第三
转速的转速为第五旋转信息；
在所述旋转卫星进入所述目标轨道后再将所述第三转速调整为第二转速；所述第
二转速的转速为第四旋转信息；
所述第五旋转信息大于所述第四旋转信息。

[0039] 进一步的，当所述目标轨道的所述第二高度信息高于所述第一高度信息，所述旋转卫星逆时针旋转；在所述旋转卫星进入所述目标轨道前先将所述第一转速提高为第四转速，该第四
转速的转速为第六旋转信息；
在所述旋转卫星进入所述目标轨道后再将所述第四转速调整为第二转速；所述第
二转速的转速为第四旋转信息；
所述第六旋转信息大于所述第四旋转信息。

[0040] 旋转卫星升高轨道高度需要通过变轨的方式，卫星在现有轨道进行一次加速使轨道成为椭圆轨道，再在远地点二次加速到稳定在轨高度，可通过多次加速不断增加轨道高度、而轨道卫星降低轨道高度需要先减小卫星速度，使卫星的圆轨道变成椭圆轨道，再在近地点加大卫星速度，可通过多次减速再加速的方式不断降低轨道高度。

[0041] 本发明旋转卫星，该旋转卫星将采用实施例1所述的卫星在轨运行方法或实施例2所述的卫星变轨方法。

[0042] 进一步的，如图3及图4所示，该旋转卫星至少包括卫星主体1，以及安装在所述卫星主体1内的动力装置；所述卫星主体1的外部安装有太阳能板2，所述动力装置至少具有分别第一方向、第二方向及第三方向的推进喷管3。在实施例1至实施例3中，卫星的旋转和变轨分别可以由动力装置实现；所述卫星主体所述动力装置可以为化学推进动力装置和非化学推进动力装置，其中化学推进动力装置可以为：液体火箭发动机、固体火箭发动机、固液混合火箭发动机；其中非化学推进动力装置可以为：核推进、电推进、太阳能推进。在本实施例中所述动力装置优选为离子推力器。

[0043] 进一步的，参见图4，所述卫星主体1的质量由内而外、从小到大分布于所述卫星主体的环形周边。卫星主体1上的部分物质分布设计，以及旋转运动，进一步提升了对于卫星的姿态控制。

[0044] 本发明实施例1至实施例3的卫星在轨运行方法及卫星变轨方法和旋转卫星，其具体原理及公式如下：当我们考察一个物体的运动时，可以不考虑它的形状但是又必须从它的形状上具
象出发。

[0045] 众所周知：物体的运动有且只有两种方式：一种是直线运动；另一种是旋转运动，通常物体的运动情况拥有直线运动和旋转运动两种复合情况，且任何复杂的曲线运动都可以根据直线运动和旋转运动的交互合并运动复合出来。而根据能量守恒定律，两者之间可以相互转换，存在量化关系。

[0046] 当一个刚性球体卫星——即密度均匀分布的卫星运动时，我们来定量分析卫星旋转运动和直线运动之间的量化关系以及物理意义。

[0047] 一个球体可视为由无数个直径为0到2r的圆面以r为半径递增两次而叠加组成，球体的运动状态既是圆面的运动状态的集合。

[0048] 如图5所示，一个半径为r的圆面a转运动一圈时，圆面的运动量可视化如b所示，可以理解为圆面上所有点运动的总和，运动量为：；
假设圆面沿直线运动且运动的距离刚好是圆面最外边点旋转一圈的量，那么圆面
的运动量可视化如c所示，其运动量为：
，
如上述所论证的，同一圆面以面边缘为参考，圆面旋转运动速度为v、直线运动运动速度为V，当旋转和直线运动速度相等时，必有旋转运动的运动量是直线运动的运动量的一半，即：
。

[0049] 如图6所示，考察两种特殊类型物体的运动情况：A是图5所述的情况，圆柱体B的半径等于A，高为h，根据图5进一步推导，圆柱体B是以半径为r、高为h的所有圆面在运动，那么其直线运动和旋转运动的运动量亦有如下线性关系：；
球体C的半径也等于A，沿着旋转轴可切出无数个直径为0到2r的、以r为半径递增
两次而叠加的圆面，每个圆面都处于图5的情况，那么整个球体也必然有如下关系：
；
当球体存在旋转和直线复合运动时，球体的运动量为两种运动方式的总和，即：
。

[0050] 以初始假设的条件，用字母m、f分别表示球体卫星的质量和运动量，则有：。

[0051] 将以上技术方法应用于卫星的轨道控制，卫星将拥有更多灵活的应用方式。如卫星的高度在距离地面2000km时需要的轨道速度约为7.8㎞/s，同样高度的卫星，假设星体是如图6中的B和C是理想状态的匀刚性圆柱体或球体，只要沿着地球的自转方向的旋转速度是15.6㎞/s，那么卫星于同一地面坐标将始终保持这一距离，卫星不再具有轨道运动，取而代之的是轨点旋转运动，跟静止轨道卫星一样。

[0052] 如果卫星没有旋转的情况下，根据牛顿力学理论进行推导，卫星只有在赤道上距离地面高度35786km处，卫星的运行的轨道周期才会与地球自转周期同步，我们定义在这条轨道上运行的卫星就是静止轨道卫星。最理想的静止轨道只有在赤道上距离地面约35786km高度这一条，根据国际规定，要求任意两个静止轨道卫星之间的距离不小于3°角，因此环形的静止轨道最多只能容纳120颗卫星，而卫星通过旋转控制可以在地球引力控制范围内任意位置设置静止轨道卫星。

[0053] 根据能量守恒定律，将同样匀刚性球体卫星的直线速度加速到7.8㎞/s和旋转速度加速到15.6㎞/s所需要的能量是一样或相近的。

[0054] 另外，在静止轨道外维持卫星周期性运动，卫星的轨道速度将小于静止轨道的速度——即卫星的轨道周期时间大于地球自转周期时间，而对于旋转卫星维持相等距离需使卫星旋转方向与地球自转方向相反、旋转速度等于静止轨道速度减去该轨道速度的2倍即可，且这种情况下的旋转卫星任处于静止轨道卫星状态。

[0055] 对于卫星的轨道高度和轨道速度都有要求的控制，只需要使卫星同时拥有匹配的直线运动和旋转运动。

[0056] 从以上数学论证进一步推导，如果我们将卫星质量集中在外层，那么理论上卫星的极限旋转运动速度是轨道运动速度，也就是说将物质集中在卫星外壳上，卫星以略大于轨道速度旋转也能维持相对的轨道高度。

[0057] 本发明实施例1至实施例3的卫星在轨运行方法及卫星变轨方法和旋转卫星，旋转卫星是指完全利用卫星的旋转运动代替轨道运动，这方面的理论基础是基于上述对物体运动的数学研究。根据能量守恒和物理量化对等转换等关系，用轨点旋转运动代替卫星的轨道直线运动，导致卫星的在轨方式由轨道运动方式必然转变为轨点运动方式，通过使卫星同时具有直线和旋转的复合运动，进一步得到卫星的轨道高度及轨道速度均可自由调控。

[0058] 由于卫星在地外空间距离地面不同的轨道高度运行工作时，具有相应匹配的环绕速度，目前所有的卫星采取的运动方式是沿着设定的轨道线运行。本发明卫星在轨运行方法及卫星变轨方法和旋转卫星，采取的运行方式是让卫星以相向、反向的轨点（相对于参考系的某个点）旋转运动代替轨道线运动和/或使卫星同时复合拥有旋转运动和线运动，来控制卫星的在轨高度以及速度，并且通过控制卫星的旋转方向和速度来控制卫星的姿态和改变其运行轨道。

[0059] 地球不是一个规则的球体，质量分布的不均匀导致空间引力场同样不均匀，使得轨道卫星的运行轨道容易产生偏移而需要耗能去修正，本发明卫星在轨运行方法及卫星变轨方法和旋转卫星的一大优势是可以在既定的任意相对空间位置静止，这样及大地规避了因引力场不均匀造成的系列问题，当然卫星可以将直线运动和旋转运动复合应用，做到轨道、速度和姿态的自由可控。并且可以更灵活地控制卫星相对地球中心与卫星的连线在地球表面上的交点的轨道速度和高度。

[0060] 本发明卫星在轨运行方法及卫星变轨方法和旋转卫星，在旋转的状态下，受外在因素影响更小，不同的卫星之间的间距可以实现更近，空间可容纳更多不同高度、不同经纬度的静止轨道卫星；除了可以在轨道增加更多数量的卫星以外，还提高了避免不同卫星之间相互间碰撞的安全性。

[0061] 本发明卫星在轨运行方法及卫星变轨方法和旋转卫星的公式结合角动量守恒定律进行分析，卫星的质量由内而外从小到大分布设计，可以降低卫星的旋转速度，反之可以增加卫星的旋转速度。

[0062] 说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

[0063] 以上所述本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据附图获取其他的实施例，以及任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。