궤도 요소는 천체역학에서 이체 문제(two-body problem)에 따라 궤도를 정의하는 일련의 매개변수들을 의미한다. 이 매개변수들을 알면 특정 시점(epoch)에 궤도를 도는 물체의 위치와 속도를 정확하게 예측할 수 있다. 일반적으로 타원 궤도를 정의하는 데 사용되는 6개의 독립적인 궤도 요소가 가장 널리 알려져 있으며, 이를 케플러 궤도 요소(Keplerian orbital elements)라고 부른다.
주요 케플러 궤도 요소는 다음과 같다:
- 긴반지름 (Semimajor Axis, $a$): 타원 궤도의 크기를 결정하는 요소이다. 타원의 가장 긴 지름의 절반으로, 궤도 에너지와 관련이 깊다. 원 궤도에서는 반지름과 같다.
- 이심률 (Eccentricity, $e$): 타원 궤도의 형태를 결정하는 요소이다. 0이면 완벽한 원 궤도이고, 0에서 1 사이의 값은 타원 궤도를 나타내며, 1이면 포물선 궤도, 1보다 크면 쌍곡선 궤도이다.
- 궤도 경사 (Inclination, $i$): 궤도면이 기준면(예: 태양계의 황도면, 지구 위성의 적도면)과 이루는 각도이다. 이심률이 0에서 180도 사이의 값을 가지며, 0도는 기준면과 같은 평면에서 진행하는 순행 궤도, 90도는 극 궤도, 90도에서 180도 사이는 역행 궤도를 나타낸다.
- 오름차점 경도 (Longitude of the Ascending Node, $\Omega$): 기준면과 궤도면이 교차하는 선(결정선) 중, 물체가 기준면을 북쪽으로 통과하는 지점인 오름차점의 기준면에 대한 경도를 나타낸다. 기준점(예: 춘분점)으로부터 반시계 방향으로 측정된다.
- 근점 편각 (Argument of Periapsis, $\omega$): 궤도면 내에서 오름차점으로부터 물체가 주성(primary body)에 가장 가까이 다가가는 지점인 근점(periapsis)까지의 각도이다. 물체가 궤도 진행 방향으로 오름차점으로부터 측정된다.
- 평균 근점 이각 (Mean Anomaly, $M$) 또는 근점 통과 시각 (Time of Periapsis Passage, $T_0$): 특정 시점(epoch)에 물체가 궤도상의 어디에 있는지를 나타내는 요소이다. 평균 근점 이각은 물체가 일정한 각속도로 원 궤도를 돈다고 가정했을 때의 각도로, 실제 위치는 아니다. 근점 통과 시각은 물체가 근점을 통과한 특정 시간을 의미한다. 이 두 요소 중 하나와 궤도 주기($P$)를 알면 다른 시간에서의 궤도상 위치를 계산할 수 있다.
이 외에도 궤도의 특성을 나타내는 다른 요소들이 존재할 수 있으나, 위의 여섯 가지 케플러 궤도 요소는 완벽한 이체 문제를 가정할 때 궤도를 유일하게 정의한다. 실제 우주에서는 다른 천체들의 중력적 영향(섭동)이나 비중력적 힘(예: 태양풍 압력, 대기 항력)으로 인해 궤도 요소들이 시간에 따라 미세하게 변화한다. 이러한 변화를 고려하기 위해 섭동 이론(perturbation theory)이나 수치적 적분(numerical integration)을 사용한다.
궤도 요소는 인공위성, 행성, 소행성, 혜성 등 다양한 천체들의 움직임을 분석하고 예측하며, 우주 탐사 임무의 계획 및 항법에 필수적으로 사용된다.