兰州大学《卫星气象学》第2章-卫星运动规律与气象卫星轨道

1、1卫星气象学电子课件（第一版） 电子版（第一版）电子版（第一版）2卫星气象学电子课件（第一版） 3卫星气象学电子课件（第一版） 2.1 气象卫星运动规律2.2 卫星轨道参数和轨道的摄动2.3 气象卫星轨道2.4 卫星的发射章节内容章节内容4卫星气象学电子课件（第一版） 假定：假定：(1)(1)地球，理想球体、均质，质心在地心；地球，理想球体、均质，质心在地心；(2)(2)卫星质量卫星质量地球质量，可忽略；地球质量，可忽略；(3)(3)星星- -地的距离地的距离卫星本身尺度，质点；卫星本身尺度，质点；(4)(4)忽略其它因素对卫星的作用力。忽略其它因素对卫星的作用力。 2.1 气象卫星运动规律气

2、象卫星运动规律2.1.1 卫星的运动方程卫星的运动方程5卫星气象学电子课件（第一版） 卫星的受力：卫星的受力：万有引力定律，以地心为原点的地球对卫星的引力表示为：万有引力定律，以地心为原点的地球对卫星的引力表示为：2)(rmrGMdrdmdrdmmrF式中F(r)表示吸引力， r是卫星的矢径，m是卫星质量开普勒常数万有引力常数地球质量143-23.986032 10 msGM -112-2G=6.67259 10 N mkg24M= 5.97370 10 kg6卫星气象学电子课件（第一版） 式中 r是卫星的矢径，为幅角。在轨道面上的运动方程为：在轨道面上的运动方程为： rv轨道地心地心2222

3、2d rdrdtdtrdrhdt 7卫星气象学电子课件（第一版） 开普勒运动三定律u开普勒定律是开普勒所发现、关于行星运动的定律。他于1609年在他出版的新天文学科学杂志上发表了关于行星运动的两条定律，又于1618年，发现了第三条定律。u开普勒的三条行星运动定律改变了整个天文学，彻底摧毁了托勒密复杂的宇宙体系，完善并简化了哥白尼的日心说。约翰内斯约翰内斯开普勒开普勒 Johannes Kepler （1571-1630）德国物理学家8卫星气象学电子课件（第一版） u开普勒第一定律，也称椭圆定律、轨道定律： 每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中。 对卫星而言，其运动

4、轨道是一圆锥曲线（圆或椭圆），地球位于其中一个焦点上。椭圆轨道椭圆轨道圆圆轨轨道道双曲线轨双曲线轨道道抛物线轨抛物线轨道道9卫星气象学电子课件（第一版） 解方程组得 A， 为积分常数。如果，令p=h2/ ， e=Ap（偏心率） ，得)cos(10epr圆锥曲线,力心位于焦点上)cos(1022Ahhr010卫星气象学电子课件（第一版） 卫星轨道可以是圆锥曲线的一种p 当当e=0，r p ，轨道为圆。，轨道为圆。p 当当e 1, 椭圆轨道，以地心为焦点椭圆轨道，以地心为焦点, 焦点与椭圆中心不重合。焦点与椭圆中心不重合。e=c/a偏心率，偏心率，a半长轴，半长轴，c是焦距。是焦距。p= a(1

5、- e2) 近地点矢径近地点矢径rp= a（1- e） 远地点矢径远地点矢径ra= a（1+ e）p 当当e=1, 卫星脱离地球引力，抛物线轨道卫星脱离地球引力，抛物线轨道p 当当e 1, 卫星脱离太阳系引力，卫星脱离太阳系引力，双双曲线轨道曲线轨道01cos()pre 11卫星气象学电子课件（第一版） 开普勒第二定律，也称等面积定律： 在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。用公式表示为： 对卫星的运动，在相等的时间内卫星的矢径在地球上空扫过的面积相等。ABCDEKSSS12卫星气象学电子课件（第一版） 卫星的矢径在相等时间

6、内扫过的面积相等（即面积速度为常数）角速度：角速度： = d /dt rv轨道地心地心2dAr dh= dt2 dt2 =常数13卫星气象学电子课件（第一版） 卫星在椭圆轨道上的总能量为： 卫星活力公式卫星活力公式21mW=mv -2r2ma 总能量总能量动能动能势能势能椭圆轨道半长轴椭圆轨道半长轴因此，卫星在轨道上的运行速度为 2(21)Vra 14卫星气象学电子课件（第一版） p在椭圆轨道上p在圆轨道上V近近= (2/r近近1/a)1/2=( /a)(1 +e)/(1 e) V远远= (2/r远远1/a)1/2 =( /a)(1 e)/(1+ e) V圆圆= /r圆圆1/2= /（R+H）

7、 1/2卫星飞行速度换言之，卫星在地心引力下作圆周运动： GMm/r2（向心力）= mv2/r（离心力） 也有：v =（GM/r）1/2= /（R+H） 1/22(21)Vra 15卫星气象学电子课件（第一版） 角速度： = d/dt 由于面积速度为常数，所以： r小，大。在近地点p，r最小， 最大； r大，小。在远地点a，r最大， 最小。卫星在轨道上运行的角速度ap16卫星气象学电子课件（第一版） u 开普勒第三定律，也称周期定律： 各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。由这一定律可以导出：行星与太阳之间的引力与半径的平方成反比。这是牛顿的万有引力定律的一个重要基

8、础。公式表示为：32aKT卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。17卫星气象学电子课件（第一版） 卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。T2 = 42a3 / 卫星轨道周期：指卫星在轨道上运行一周的时间T2 = 42(R+H)3 / 譬如：譬如： FY-1, H=830km, T=6080s=101.3min FY-2, H=35860km, T=24小时小时1. 椭圆轨道椭圆轨道2. 圆轨道圆轨道18卫星气象学电子课件（第一版） 2.1.2 卫星的入轨速度与轨道的形状卫星的入轨速度与轨道的形状 卫星的轨道形状只取决于火箭把卫星送入轨道的瞬间速度入轨速度。卫星在地心引力下作圆周运动

9、：卫星在地心引力下作圆周运动： GMm/r2= mv2/r 环绕速度环绕速度环绕速度是指卫星在不同高度上做圆轨道运动所具有的速度。环绕速度是指卫星在不同高度上做圆轨道运动所具有的速度。取取r=R=6370km，有，有v=V1=7.912 km/s 第一宇宙速度第一宇宙速度这是卫星在地面入轨时所需的最小速度。这是卫星在地面入轨时所需的最小速度。此时卫星可在贴地面附近绕地球作圆轨道运动。此时卫星可在贴地面附近绕地球作圆轨道运动。 p 若若v 离心力而落向地面。离心力而落向地面。p 若若v V1，则离心力，则离心力向心力而脱离半径为向心力而脱离半径为6370km的圆轨道。的圆轨道。一、卫星实现圆轨道

10、运动的条件一、卫星实现圆轨道运动的条件vr+HGMR 19卫星气象学电子课件（第一版） 当卫星飞行速度进一步增加，离心力加大到使卫星当卫星飞行速度进一步增加，离心力加大到使卫星脱离地球引力场，即脱离地球引力场，即a a，卫星就演变为太阳行星，而卫星就演变为太阳行星，而轨道成为抛物线形。轨道成为抛物线形。由活力公式得：由活力公式得：这是卫星要从地表面脱离地球引力场所需要的速度，这是卫星要从地表面脱离地球引力场所需要的速度，称称第二宇宙速度（逃逸速度）。第二宇宙速度（逃逸速度）。它是地面发射一颗行星所它是地面发射一颗行星所需要的最小速度。需要的最小速度。 因此，实现椭圆轨道的条件为：因此，实现椭圆

11、轨道的条件为： v1 v椭椭 90,实现 =-0.985/天 来抵消轨道面的相对运动，即可实现近极地太阳同步卫星轨道。如，H=830km, i=98.7,即可实现。 =10*COS(RADIANS(98.7)*(6370/(6370+830)3.5= -0.985 圆形轨道进动率： 10 cosi *(R/（R+H）3.5 i0,进动自东向西； i90, 0,进动自西向东.NS（3）近极地太阳同步卫星轨道的实现40卫星气象学电子课件（第一版） 3、太阳同步轨道的特点优点：优点： 轨道为圆形，轨道预告、接收和资料定位方便； 可实现包含极地的全球观测； 在观测时有合适的太阳照明，有利于资料处理和使

12、用； 仪器可以得到充分的太阳能供给。缺点：缺点： 对中低纬度同一地点观测的时间间隔太长（相对于GEO)，不利对中小尺度天气系统的监测；相临两条轨道的观测资料时间差达100多分钟，拼图不利。41卫星气象学电子课件（第一版） 4、卫星食和太阳干扰、卫星食和太阳干扰（1）静止卫星的卫星食太太阳阳轨道地球卫星太太阳阳轨道卫星地球（a）图图2-12 静止卫星的蚀示意图静止卫星的蚀示意图（2）太阳干扰 如图2-12（a）太阳、卫星、地面卫星接收天线成一线时，地面卫星接收天线对着太阳，进入天线波束期间，受太阳射电噪声影响，接收电波受严重干扰，甚至收不到信号，这样的干扰称为太阳干扰。 20 10 0 10 2

13、070605040302010每次卫星蚀时间/分钟从春（秋）分算起（b）42卫星气象学电子课件（第一版） 2.3.4 其他轨道（研究与发展）其他轨道（研究与发展）which orbit between certain latitudes a few hundred km above the surface (lower Earth orbits)- Example: The TRMM orbit is circular and is at an altitude of 350 km and an inclination of 35 degrees to the Equator. TRMM fl

14、ies over each position on the Earths surface at a different local time each day. So it is good for diurnal variation studies.43卫星气象学电子课件（第一版） 现代卫星观测系统44卫星气象学电子课件（第一版） 用于数值天气预报的卫星数据u Quikscat ocean surface wind vectorsu AVHRR SSTu AVHRR vegetation fractionu AVHRR surface typeu Multi-satellite snow co

15、veru Multi-satellite sea iceu SBUV/2 ozone profile and total ozoneu Altimeter sea level observations (ocean data assimilation)u AIRSu MODIS Windsu COSMICu HIRS sounder radiancesu AMSU-A sounder radiancesu AMSU-B sounder radiancesu GOES sounder radiancesu GOES, Meteosat, GMS windsu GOES precipitation

16、 rateu SSM/I precipitation ratesu TRMM precipitation ratesu SSM/I ocean surface wind speedsu ERS-2 ocean surface wind vectors45卫星气象学电子课件（第一版） 2.4.1 极地轨道卫星的发射过程极地轨道卫星的发射过程2.4 卫星的发射和卫星技术卫星的发射和卫星技术（1）垂直上升段 （2）转弯飞行段（3）自由飞行段 （4）卫星入轨段2.4.2 静止轨道卫星的发射过程静止轨道卫星的发射过程（1）发射至低高度轨道（暂定轨道或初始轨道）（2）运行至与赤道面相交处，点燃近地点发动机

17、，使卫星进入远地点高度为35860km的椭圆轨道（转移轨道）（3）运行至远地点赤道上空，点燃远地点发动机，使卫星获得速度增量，偏离椭圆轨道，进入预定圆形轨道（飘逸轨道或近静止轨道），修正误差，进入静止卫星轨道2.4.3 卫星技术（参考教材）卫星技术（参考教材）46卫星气象学电子课件（第一版） 现有的静止业务气象卫星现有的静止业务气象卫星发射国家发射国家过去过去新一代新一代美国美国GOES-8GOES N-R主主要要功功能能 三轴稳定、三轴稳定、5通道成像仪、通道成像仪、100010002，40秒观测秒观测一次，红外垂直探测器一次，红外垂直探测器10通道成像仪、干涉式红外线分光、太阳通道成像仪、

18、干涉式红外线分光、太阳X射线成像仪、闪电射线成像仪、闪电 成像仪成像仪云图、云迹风、温、湿廓云图、云迹风、温、湿廓线、云参数、线、云参数、OLR、SST云 图 、 云 迹 风 、 高 垂 直 分 辨 率云 图 、 云 迹 风 、 高 垂 直 分 辨 率 T 、 P、Q廓线、云参数、廓线、云参数、OLR、SST、地表、地表特征、闪电分布特征、闪电分布欧 洲 气 象欧 洲 气 象卫星组织卫星组织METEOSATMSG主主要要功功能能自旋稳定、自旋稳定、3通道可见、红通道可见、红外成像仪外成像仪自旋稳定、自旋稳定、12通道可见、红外成像仪通道可见、红外成像仪云图、云迹风、云图、云迹风、OLR、 SS

19、T、云参数、云参数云图、云迹风、云图、云迹风、OLR、SST云参数、地表特征云参数、地表特征2.5 气象卫星发展状况气象卫星发展状况47卫星气象学电子课件（第一版） GOES 卫星（地球同步环境卫星）48卫星气象学电子课件（第一版） GOES-R卫星（第三代）49卫星气象学电子课件（第一版） METEOSAT 卫星50卫星气象学电子课件（第一版） MSG（欧洲二代）卫星51卫星气象学电子课件（第一版） 发射国家发射国家过去过去现在现在日本日本GMSMTSAT主主要要功功能能自旋、自旋、4通道可见红外自旋通道可见红外自旋扫描成像仪扫描成像仪三轴稳定、三轴稳定、5通道可见红外成像仪、航空通道可见红

20、外成像仪、航空管制管制云图、云迹风、云图、云迹风、OLR、SST、云参数、对流层中上部水、云参数、对流层中上部水汽量汽量云图、云迹风、云参数、云图、云迹风、云参数、OLR、SST、地、地表特征、闪电分布表特征、闪电分布中国中国FY-2FY-2主主要要功功能能自旋、自旋、3通道可见红外成像通道可见红外成像仪仪自旋、自旋、5通道可见红外成像仪通道可见红外成像仪云图、云迹风、云图、云迹风、OLR、SST、云参数、对流层中上部水、云参数、对流层中上部水汽量汽量云图、云迹风、云图、云迹风、OLR、SST云参数、对流云参数、对流层中上部水汽量、晴空水汽量层中上部水汽量、晴空水汽量现有的静止业务气象卫星现有

21、的静止业务气象卫星52卫星气象学电子课件（第一版） GMS 卫星53卫星气象学电子课件（第一版） MTSAT(日本二代)卫星54卫星气象学电子课件（第一版） FY-2卫星55卫星气象学电子课件（第一版） 发射国家发射国家现现 状状未未 来来 发发 展展 美国美国 NOAA-15-（第五代）（第五代）NPOESS（军民合用）（军民合用）主主 要要 功功 能能AVHRR-3、ATOVS 可见红外线成像仪、微波成像仪、可见红外线成像仪、微波成像仪、红外微波大气探测器、红外微波大气探测器、O3 成像廓线成像廓线仪、仪、GPS OS图像、图像、SST、NDVI、云、云参数、冰雪、水体、高参数、冰雪、水体

22、、高温热源、全天候温热源、全天候T、P、Q廓线、廓线、O3图像、图像、SST、NDVI和和LAI、冰雪、冰雪、水体、高温热源、云参数（粒径、水体、高温热源、云参数（粒径、相态、含水量）、土地利用、海洋相态、含水量）、土地利用、海洋水色、高垂直分辨率水色、高垂直分辨率T、P、Q廓线廓线、O3图像和廓线、电离层电子浓度图像和廓线、电离层电子浓度、平流层中层的、平流层中层的T、P、廓线廓线现有和未来极轨业务气象卫星现有和未来极轨业务气象卫星56卫星气象学电子课件（第一版） NOAA-K 卫星57卫星气象学电子课件（第一版） NPOESS 卫星（模型）58卫星气象学电子课件（第一版） 现有和未来极轨业

23、务气象卫星发射国家发射国家现现 状状未未 来来 发发 展展中中 国国FY-1C、D，FY-3FY-5主主 要要 功功 能能10通道可见光、红外扫描辐射仪通道可见光、红外扫描辐射仪 可见红外线成像仪、高分辨率红可见红外线成像仪、高分辨率红外分光计、微波成像仪、微波辐外分光计、微波成像仪、微波辐射仪、紫外臭氧探测器、中分射仪、紫外臭氧探测器、中分辨率成像光谱辐射仪辨率成像光谱辐射仪图像、图像、SST、NDVI、海洋水色、海洋水色、云参数、冰雪、水体、高温热源云参数、冰雪、水体、高温热源图像、图像、SST、NDVI和和LAI、冰雪、冰雪、水体、高温热源、云参数（粒、水体、高温热源、云参数（粒径、相态

24、、含水量）、土地利用径、相态、含水量）、土地利用、海洋水色、全天候温压湿度廓、海洋水色、全天候温压湿度廓线、线、O359卫星气象学电子课件（第一版） FY-1卫星60卫星气象学电子课件（第一版） 61卫星气象学电子课件（第一版） 发射国家现 状 未 来 发 展欧洲气象卫星组织无METOP主 要功能 无 基本同NPOESSMETOP NPOESS 将组成的极轨业务气象卫星 现有和未来极轨业务气象卫星现有和未来极轨业务气象卫星62卫星气象学电子课件（第一版） 极轨业务气象卫星（续） 仪 器分辨率频率（波长）扫描宽度微波辐射仪10KM19.37GHz600KM雷达4KM14GHz220KMVIS/I

25、R扫描辐射仪1KM0.5-0.7/10- 12m600KM63卫星气象学电子课件（第一版） 观测试验卫星卫卫 星星探探 测测 器器主主 要要 任任 务务EOS-Terra (AM)中分辨成像光谱仪中分辨成像光谱仪(MODIS)、热辐射反、热辐射反射辐射计射辐射计(ASTER)、云和地球辐射能量、云和地球辐射能量系统系统(CERES)、污染测量仪（、污染测量仪（MOPITT）、多角度成像光谱仪（）、多角度成像光谱仪（MISR）全球环境监测全球环境监测EOS-Aqua (PM)干涉红外线探测器、改进的微波探测仪干涉红外线探测器、改进的微波探测仪、温度计、多频微波成像仪、云辐射和、温度计、多频微波成

26、像仪、云辐射和MODIS同上同上 全球环境监测全球环境监测 EOS-Color （水色）（水色）SeaWIFS （海洋宽视场探测器）（海洋宽视场探测器）全球海洋水色监测全球海洋水色监测 EOS-Aero （气溶胶）（气溶胶）57倾角，平流层气溶胶实验倾角，平流层气溶胶实验（SAGE IV）全球气溶胶监测全球气溶胶监测 EOS-ALT （测高）（测高）高度计、地球科学激光测距系统高度计、地球科学激光测距系统GPS地球科学仪（地球科学仪（GGI）海面海面/海冰海冰/陆地拓朴陆地拓朴 EOS-Chem (化学化学)Stick散射计、对流层辐射光谱仪、高分散射计、对流层辐射光谱仪、高分辨动态分层探测器

27、、辨动态分层探测器、SAGE器器全球大气化学成份监测全球大气化学成份监测地球观测系统地球观测系统(EOS) 国际全球变化研究国际全球变化研究 计划计划(GCRP)的主要成果的主要成果64卫星气象学电子课件（第一版） EOS-Terra(AM)各类遥感探测器的主要观测功能学科学科探测内容探测内容遥感探测器遥感探测器 学科学科探测内容探测内容遥感探测器遥感探测器 大大 气气 云性质云性质MODIS, MISR, ASTER 海海 洋洋海表温度海表温度MODIS辐射能辐射能CERES, MODIS, MISR浮游植物浮游植物可溶性有机物可溶性有机物表面风场表面风场海面高度海面高度 MODISMISR

28、降水、平流层降水、平流层化学、对流层化学、对流层化学化学MOPITT气溶胶气溶胶MIS, MODIS大气温、湿度大气温、湿度MODIS 冰冰雪雪圈圈 陆地冰的变化陆地冰的变化 ASTER 陆陆 地地陆地覆盖和土地利陆地覆盖和土地利用变化用变化MODIS, MISR, ASTER植被、地表温植被、地表温度度MODIS, MISR, ASTER海冰海冰雪覆盖雪覆盖MODISASTER火灾发生率火灾发生率MODIS, ASTER火山效应火山效应MODIS, STER太太阳阳太阳总辐射太阳总辐射CERES,MODIS,MISR地表湿度地表湿度M O D I S , ASTER65卫星气象学电子课件（第

29、一版） 海洋卫星1、探索试验阶段、探索试验阶段(1974-1978) 在在NOAA和和Landsat卫星上进行探测试验。卫星上进行探测试验。2、实验研究阶段、实验研究阶段(1978-1985) SeaSat(1978.6) Nimbus(1978.10) SeaSat 上有上有5台遥感探测器台遥感探测器: 合成孔径雷达合成孔径雷达(SAR)； 雷达高度计（雷达高度计（ALT）；）； 微波散射计（微波散射计（SASS）；）； 多通道扫描微波辐射计（多通道扫描微波辐射计（SMMR）；）； 可见光红外辐射计（可见光红外辐射计（VIRR）（探测对象：海面风场、浪场、流场、）（探测对象：海面风场、浪场、

30、流场、海温、极区海冰、海平面高度、水陆分界等）海温、极区海冰、海平面高度、水陆分界等） Nimbus-7上用于海洋探测的遥感器：上用于海洋探测的遥感器： 海岸带水色扫描仪（海岸带水色扫描仪（CZCS）；多波段微波辐射计（）；多波段微波辐射计（SMMR）；）； （探测对象：海水叶绿素，悬浮泥沙，有色可溶有机物，海水（探测对象：海水叶绿素，悬浮泥沙，有色可溶有机物，海水 污染物，水质，海面温度，海冰）污染物，水质，海面温度，海冰）3、 应用研究阶段（应用研究阶段（1985-） 以以SeaStar，GeoSat,Mos等卫星发射为标志等卫星发射为标志 66卫星气象学电子课件（第一版） 陆地卫星 美国的美国的LandSat系列：系列： Landsat-1 （1972）- Landsat-7（1999） 法国的法国的SPOT系统：系统： SPOT-1（1986）- SPOT-4（1998） 印度的印度的IRS系列：系列： IRS-1（1988） - IRS-4（1998） 此外，日本、欧空局、中国、以色列和加拿大等国均发射了以陆地资此外，日本