卫星气象学课件2-09ppt课件

1、 第二章第二章 气象卫星运动规律和轨道气象卫星运动规律和轨道 2.1 2.1 气象卫星的运动规律气象卫星的运动规律 2.2 2.2 轨道参数和卫星轨道轨道参数和卫星轨道 2.3 2.3 气象卫星的发射气象卫星的发射 2.4 2.4 气象卫星系统气象卫星系统 2.1 2.1 气象卫星运动规律气象卫星运动规律 一、气象卫星运动规律一、气象卫星运动规律 气象卫星在其所在的轨道上对地球大气进行观测，所带气象卫星在其所在的轨道上对地球大气进行观测，所带仪器及工作方式、观测范围、资料的类型和数量，地面接收、资料仪器及工作方式、观测范围、资料的类型和数量，地面接收、资料的处理和应用都与卫星轨道有关，所以首先

2、要了解卫星运行规律方的处理和应用都与卫星轨道有关，所以首先要了解卫星运行规律方面的有关知识。面的有关知识。 1 1、卫星的运动方程、卫星的运动方程 在假定条件下，根据地球与卫星受万有引力的作用。据万有在假定条件下，根据地球与卫星受万有引力的作用。据万有引力定律，以地心为原点的地球对卫星的引力可以表示为引力定律，以地心为原点的地球对卫星的引力可以表示为 ：其中：其中：F F是吸引力，是吸引力， 是重力位势，是重力位势，r r是卫星矢径的数值，是卫星矢径的数值， /r/r是是卫星矢径的方向，卫星矢径的方向，G G是万有引力常数是万有引力常数,(,(6 667259672591010-11-11kg

3、kg-2-2) )，McMc是地球质量，为是地球质量，为5 5973709737010102424kgkg， m m是卫星质量，是卫星质量，是开普勒数，是开普勒数，为为3 398603298603210101414m m3 3SS-2-2。 分析作用于卫星的力，然后选取坐标系，建立卫星以地心为原分析作用于卫星的力，然后选取坐标系，建立卫星以地心为原点的直角坐标系中的运动方程的运动方程，在笛卡儿直角坐标系中，点的直角坐标系中的运动方程的运动方程，在笛卡儿直角坐标系中，卫星的运动方程可以写成：卫星的运动方程可以写成：式中：式中：r2=x2+y2+z2r2=x2+y2+z2 由于卫星受有心力场的作用

4、，其轨道必在过地心的一平面内，由于卫星受有心力场的作用，其轨道必在过地心的一平面内，取地心为极坐标原点，地心至卫星轨道的近地点方向为极轴方向，取地心为极坐标原点，地心至卫星轨道的近地点方向为极轴方向，则卫星在平面极坐标中的运动方程为：则卫星在平面极坐标中的运动方程为： 2 2、卫星运动三定律（开普勒运动定律）：、卫星运动三定律（开普勒运动定律）： 将行星运动定律应用于人造卫星，或求解卫星运动方程可得卫将行星运动定律应用于人造卫星，或求解卫星运动方程可得卫星运动的三定律。其描述为：星运动的三定律。其描述为： 第一，卫星运行的轨道是一圆锥截线（圆锥被一平面所截出的第一，卫星运行的轨道是一圆锥截线（

5、圆锥被一平面所截出的曲线，可以是圆、椭圆、抛物线），地球位于其中的一个焦点上。曲线，可以是圆、椭圆、抛物线），地球位于其中的一个焦点上。 第二，卫星的向径（卫星与地心连线）在相等的时间内，在地第二，卫星的向径（卫星与地心连线）在相等的时间内，在地球周围扫过的面积相等。球周围扫过的面积相等。 第三，卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。第三，卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。（1 1）对于第一定律，卫星运动轨道是一圆锥截线，）对于第一定律，卫星运动轨道是一圆锥截线，其表示其表示式为：式为： 式中式中e ec/ac/a是偏心率，是偏心率，a a是半长轴，是半长轴，C C是焦距，是焦

6、距，P Pr r （1+ecos1+ecos）是半通径，是半通径，是矢径是矢径r r与半长轴与半长轴a a的夹角。可见偏心率是决定轨道形的夹角。可见偏心率是决定轨道形状的主要参数。状的主要参数。当当e e0 0时，时，c=0c=0，P=r=aP=r=a，轨道是以地心为圆心的轨道是以地心为圆心的圆形轨道圆形轨道。当当 e e1 1时时，卫星的运动轨道是以地心为一焦点的，卫星的运动轨道是以地心为一焦点的椭圆形轨道椭圆形轨道。其。其C0C0，焦点与椭圆中心不重合，而半通径，焦点与椭圆中心不重合，而半通径 P=aP=a（1 1e e2 2）。）。当当 e e1 1时，时，运动轨道是以地心为焦点的运动轨

7、道是以地心为焦点的抛物线轨道。抛物线轨道。焦距与焦距与半长轴相等。运动物体沿抛物线轨道飞离地球，成为太阳系的人造半长轴相等。运动物体沿抛物线轨道飞离地球，成为太阳系的人造卫星。卫星。 当当e e1 1时，时，运动轨道是以地心为焦点的运动轨道是以地心为焦点的双曲线，双曲线，c ca a，运动物，运动物体沿双曲线轨道飞离地球和太阳系，成为银河系中的一个星体。体沿双曲线轨道飞离地球和太阳系，成为银河系中的一个星体。（2 2）根据第二定律，）根据第二定律，卫星矢径扫过的面积速度为常数，则卫星矢径扫过的面积速度为常数，则有：有： 式中式中dAdA是半径在是半径在dtdt时间内扫过的面积，时间内扫过的面积

8、，h h是一常数。是一常数。由卫星在轨道上的能量可表示为：由卫星在轨道上的能量可表示为：求解此式可得：求解此式可得：可以求得卫星在椭圆轨道上任意矢径为可以求得卫星在椭圆轨道上任意矢径为r r处的速度。此式称做卫星处的速度。此式称做卫星的的 活力公式。由此得卫星在近地点、远地点和圆形轨道的速度为：活力公式。由此得卫星在近地点、远地点和圆形轨道的速度为：式中式中R R是地球半径，为是地球半径，为6 6356752356752lOm(lOm(极半径极半径) )和和6 637813737813710m(10m(赤道半径赤道半径) )，平均值为，平均值为6 637100937100910m10m，H H

9、是是卫星高度。圆形轨道时卫星高度。圆形轨道时r=a,e=0r=a,e=0。 可见，可见，卫星的速度卫星的速度V大小，与大小，与r成反比。成反比。对于椭圆轨道，由于远对于椭圆轨道，由于远地点地点r最大，因而卫星角速度最小；而近地点最大，因而卫星角速度最小；而近地点r最小，卫星角速度最最小，卫星角速度最大。故第二定律表达了卫星在轨道的角速度的大小。大。故第二定律表达了卫星在轨道的角速度的大小。（3 3）、根据第三定律可确定卫星的周期：）、根据第三定律可确定卫星的周期： a a/T/T=/4=/4 或或 T=2T=2（a a/ / ）1/21/2可见卫星的运行周期仅决定于轨道的长半轴。可见卫星的运行

10、周期仅决定于轨道的长半轴。 按轨道偏心率可以分为圆形轨道和椭圆形卫星轨道。选择圆形按轨道偏心率可以分为圆形轨道和椭圆形卫星轨道。选择圆形轨道有许多优点：轨道有许多优点： 卫星在圆轨道上匀速运动，便于轨道的计算和预告；卫星在圆轨道上匀速运动，便于轨道的计算和预告； 卫星观测得到的图片比例尺一致，便于资料的处理和使用；卫星观测得到的图片比例尺一致，便于资料的处理和使用； 有利于仪器的工作和卫星姿态控制。有利于仪器的工作和卫星姿态控制。 3 3、按卫星轨道倾角，、按卫星轨道倾角，可将卫星轨道分为前进轨道和后退轨道。倾可将卫星轨道分为前进轨道和后退轨道。倾角在角在0 0一一9090之间，称前进轨道或顺

11、行轨道。之间，称前进轨道或顺行轨道。 倾角在倾角在9090一一180180之之间，为后退轨道或逆行轨道。倾角等于零，称为赤道轨道。倾角等间，为后退轨道或逆行轨道。倾角等于零，称为赤道轨道。倾角等于于9090时，称极地时，称极地 轨道。倾角不同，观测范围不同。对热带地区轨道。倾角不同，观测范围不同。对热带地区观测，选倾角较小的轨道；观测极区，应选倾角接观测，选倾角较小的轨道；观测极区，应选倾角接 近近9090的轨道的轨道。 4 4、按卫星高度将轨道分成三种类型：、按卫星高度将轨道分成三种类型： (1)(1)低高度、短寿命卫星轨道：低高度、短寿命卫星轨道：卫星高度为卫星高度为 1502001502

12、00公里，寿命公里，寿命只有只有1313周，大多为军事服务的侦察卫星所采用。周，大多为军事服务的侦察卫星所采用。 (2)(2)中高度，长寿命卫星轨道：中高度，长寿命卫星轨道：高度约为高度约为350 1500350 1500公里，寿命公里，寿命达一年以上。气象卫星，陆地和海洋卫星都用这种轨道。达一年以上。气象卫星，陆地和海洋卫星都用这种轨道。 (3)(3)高高度，长寿命地球静止卫星轨道：高高度，长寿命地球静止卫星轨道：轨道的高度轨道的高度 约约3580035800千千米左右，受地心引力和大气阻力的影响很小，卫星的寿命很长，可米左右，受地心引力和大气阻力的影响很小，卫星的寿命很长，可以存在好几年，

13、主要为气象卫星和通讯卫星所用。从气象观测要求以存在好几年，主要为气象卫星和通讯卫星所用。从气象观测要求气象卫星使用近极地太阳同步轨道和地球同步轨道两种轨道。气象卫星使用近极地太阳同步轨道和地球同步轨道两种轨道。二、卫星的入轨速度与轨道的形状二、卫星的入轨速度与轨道的形状 卫星的轨道形状可以是圆形、椭圆形、抛物线或双曲线。卫星卫星的轨道形状可以是圆形、椭圆形、抛物线或双曲线。卫星轨道的形状还取决于火箭将它送入轨道时一瞬间的速度。轨道的形状还取决于火箭将它送入轨道时一瞬间的速度。 卫星环绕地球运行时，作用于它的有地心引力，有离心力。离卫星环绕地球运行时，作用于它的有地心引力，有离心力。离心力的大小

14、决定于卫星速度。心力的大小决定于卫星速度。离心力下于地心引力时，卫星返回地离心力下于地心引力时，卫星返回地球；球；离心力等于地心引力时，就作平衡的圆周运动，而成为卫星；离心力等于地心引力时，就作平衡的圆周运动，而成为卫星；速度增大到离心力大于地心引力时，将作椭圆运动；速度再加大，速度增大到离心力大于地心引力时，将作椭圆运动；速度再加大，其运动轨道将为抛物线或双曲线。其运动轨道将为抛物线或双曲线。1 1、实现圆型轨道的条件是卫星入轨速度使离心力等于地心引力、实现圆型轨道的条件是卫星入轨速度使离心力等于地心引力式中式中VcVc是卫星在圆轨道运动的速度，也是卫星入轨速度，该速度是卫星在圆轨道运动的速

15、度，也是卫星入轨速度，该速度称做环绕速度。如果物体在地面附近发射，则以称做环绕速度。如果物体在地面附近发射，则以 r rR R（地球半径（地球半径） 63706370公里代入上式，并记这时的公里代入上式，并记这时的VcVc为为V1V1，便有，便有 V1V17 7912912千米秒千米秒这是卫星在地面发射入轨时所需要的最小速度，称第一宇宙速度这是卫星在地面发射入轨时所需要的最小速度，称第一宇宙速度。 卫星在某高度作圆轨道运动，除速度必须等于环绕速度外，而卫星在某高度作圆轨道运动，除速度必须等于环绕速度外，而且要求入轨速度方向必须且要求入轨速度方向必须与地面平行与地面平行。如果卫星速度大于或小于环

16、。如果卫星速度大于或小于环绕速度，和入轨速度虽等于环绕速度，但入轨方向与地面有一定交绕速度，和入轨速度虽等于环绕速度，但入轨方向与地面有一定交角时，卫星将作椭圆运动，而不是圆轨道运动。角时，卫星将作椭圆运动，而不是圆轨道运动。 2 2、作椭圆轨道运动需要的条件、作椭圆轨道运动需要的条件 如果卫星入轨速度进一步加大，其离心力加大到使卫星脱离地如果卫星入轨速度进一步加大，其离心力加大到使卫星脱离地球引力场，即球引力场，即 a a ，则由活力公式得，则由活力公式得 可见，当卫星达到可见，当卫星达到2 2VcVc速度时，它就演变为行星，轨道也不是椭圆速度时，它就演变为行星，轨道也不是椭圆形，而是双曲线

17、了。因此卫星作椭圆轨道运动所需的入轨速度应满形，而是双曲线了。因此卫星作椭圆轨道运动所需的入轨速度应满足足 2 2 Vc VcV V椭椭VcVc式中的式中的VpVp称做抛物线速度。若将卫星在地面附近作环绕速度的称做抛物线速度。若将卫星在地面附近作环绕速度的Vc=V1Vc=V1代入代入VpVp式，并把此时的式，并把此时的VpVp记为记为V2V2，得，得 V2=11 .2V2=11 .2千米千米/ /秒秒称称V2V2为第二宇宙速度，又称逃逸速度。为第二宇宙速度，又称逃逸速度。如果卫星的离心力大于太阳引力则卫星脱离太阳系进入银河系，其如果卫星的离心力大于太阳引力则卫星脱离太阳系进入银河系，其速度为速

18、度为 V3=16.9V3=16.9千米千米/ /秒秒为第三宇宙速度。为第三宇宙速度。 2.2 2.2 轨道参数和气象卫星轨道轨道参数和气象卫星轨道 1 1、卫星的轨道参数（在地理坐标系中）、卫星的轨道参数（在地理坐标系中） （l l）倾角：）倾角：卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角。卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角。 (2) (2) 高度：高度：卫星轨道离地球表面的距离。卫星轨道离地球表面的距离。 （3 3）周期：）周期：卫星沿其轨道运行一周所需的时间。卫星沿其轨道运行一周所需的时间。 （4 4）星下点：）星下点：卫星与地球中心连线在地球表面的交点称星下点。卫星与地球中心连线在地球表面的交点称星

19、下点。由于卫星的运动和地球的自转，显下点在地球表面形成一条连续的由于卫星的运动和地球的自转，显下点在地球表面形成一条连续的轨迹，这一轨迹称星下点轨迹。显下点常用经、纬度表示其位置。轨迹，这一轨迹称星下点轨迹。显下点常用经、纬度表示其位置。 （5 5）升交点和降交点：）升交点和降交点：卫星运行一个周期自南向北与地球赤道的卫星运行一个周期自南向北与地球赤道的交点为升交点，自北向南与地球赤道的交点为降交点，所以每条卫交点为升交点，自北向南与地球赤道的交点为降交点，所以每条卫星轨道的升交点和降交点是不同的。星轨道的升交点和降交点是不同的。 （6 6）截距：）截距：卫星运行一个周期地球赤道所转过的距离。

20、由于在卫卫星运行一个周期地球赤道所转过的距离。由于在卫星绕地球公转的同时，地球不停地自转，卫星沿规定转一周需约星绕地球公转的同时，地球不停地自转，卫星沿规定转一周需约2 2小时，地球自转需小时，地球自转需2424小时，每小时转过小时，每小时转过1515度，所以卫星一个周期在度，所以卫星一个周期在赤道的截距是赤道的截距是3030个经度。个经度。 2 2、卫星轨道的摄动、卫星轨道的摄动 1 1）由于地球扁率引起的摄动）由于地球扁率引起的摄动 地球是一个在赤道部分有些鼓起的扁平的近似旋转椭球体，赤地球是一个在赤道部分有些鼓起的扁平的近似旋转椭球体，赤道鼓起部分会给卫星轨道以摄动，使得卫星的轨道平面绕

21、地轴缓慢道鼓起部分会给卫星轨道以摄动，使得卫星的轨道平面绕地轴缓慢地转动，轨道平面的主轴也在轨道平面内旋转。地转动，轨道平面的主轴也在轨道平面内旋转。 卫星轨道平面的进动卫星轨道平面的进动 决定卫星轨道平面的参数是升交点赤经决定卫星轨道平面的参数是升交点赤经和倾角和倾角i i。地球是一。地球是一个扁平的旋转椭球体，在赤道附近对卫星引力加大，使得卫星的轨个扁平的旋转椭球体，在赤道附近对卫星引力加大，使得卫星的轨道平面绕地轴朝运动相反方向旋转，使升交点赤经道平面绕地轴朝运动相反方向旋转，使升交点赤经变化，而倾角变化，而倾角i i不变，称轨道平面的进动。如图（不变，称轨道平面的进动。如图（a a），

22、），S S是轨道平面，卫星是轨道平面，卫星由南往北运行时，赤道部分给卫星向北的摄动力由南往北运行时，赤道部分给卫星向北的摄动力，使实际卫星轨，使实际卫星轨道平面为道平面为S S1 1 ( (一一，i i十十 i ) i )；当卫星到赤道以北时，赤；当卫星到赤道以北时，赤道隆起部分又给以向南的摄动力，使轨道平面移至道隆起部分又给以向南的摄动力，使轨道平面移至1 1S S1 1 (- (- - | | ，i)i)，其总的长期效果是使，其总的长期效果是使不断减小，而倾角不断减小，而倾角i i值不值不变，结果使得轨道平面绕地轴朝卫星运动相反方向旋转，如图变，结果使得轨道平面绕地轴朝卫星运动相反方向旋转

23、，如图(b)(b)所示，即造成轨道平面的进动。所示，即造成轨道平面的进动。 图图2 28 8 卫星轨道平面的进动卫星轨道平面的进动 轨道平面的进动率是可以计算的，主要与地球半径；轨道半长轨道平面的进动率是可以计算的，主要与地球半径；轨道半长轴；轨道偏心率；轨道倾角有关系。轴；轨道偏心率；轨道倾角有关系。 考虑到地球扁率对卫星轨道的摄动，使卫星轨道平面长轴发生考虑到地球扁率对卫星轨道的摄动，使卫星轨道平面长轴发生旋转；使卫星的升旋转；使卫星的升( (降降) )交点周期发生小的改变；使近地点角近地点交点周期发生小的改变；使近地点角近地点周期发生变化。周期发生变化。 2 2）空气阻力对卫星轨道的影响

24、）空气阻力对卫星轨道的影响 宇宙空间，空气十分稀薄，空气阻力对卫星作用可以忽略不宇宙空间，空气十分稀薄，空气阻力对卫星作用可以忽略不计，但卫星高度低时，这种作用就不能忽视了。空气对卫星的阻计，但卫星高度低时，这种作用就不能忽视了。空气对卫星的阻力写为：力写为： 式中式中 F F 是空气阻力，是空气阻力，m m 是卫星质量，是卫星质量，A A是卫星截面积，是卫星截面积，是空气是空气密密,v,v是卫星速度，是卫星速度，C CD D是空气阻力系数。空气阻力使卫星动能不断是空气阻力系数。空气阻力使卫星动能不断损耗，轨道日益缩小，偏心率减小，损耗，轨道日益缩小，偏心率减小，使得卫星高度下降，轨道形使得卫

25、星高度下降，轨道形状逐渐接近正圆。最后坠入稠密大气层而陨灭。状逐渐接近正圆。最后坠入稠密大气层而陨灭。 3 3）太阳、月球的引力对卫星轨道的影响）太阳、月球的引力对卫星轨道的影响 当卫星高度较低时，地球引力大得多，太阳和月球的引力可当卫星高度较低时，地球引力大得多，太阳和月球的引力可以忽略。当卫星高度较高时，太阳和月球的引力就不可忽略了。以忽略。当卫星高度较高时，太阳和月球的引力就不可忽略了。在静止卫星高度上，太阳引力达到地球引力的在静止卫星高度上，太阳引力达到地球引力的1 13737，月球引力约，月球引力约为地球引力的为地球引力的1 168006800。两者的摄动力不可忽略，这使得赤道上的。

26、两者的摄动力不可忽略，这使得赤道上的静止卫星的轨道倾角每年约有静止卫星的轨道倾角每年约有1 1度的变化。度的变化。 4 4）太阳辐射压力的作用）太阳辐射压力的作用 太阳的辐射压力对卫星也有影响，晴天太阳作用于太阳的辐射压力对卫星也有影响，晴天太阳作用于1m1m2 2上的上的力达力达0 04mg4mg，该力作用于卫星上，也会使其偏离轨道。直接太阳辐，该力作用于卫星上，也会使其偏离轨道。直接太阳辐射和地球反射太阳辐射产生的辐射压力也是可以计算的。主要与射和地球反射太阳辐射产生的辐射压力也是可以计算的。主要与 辐照度辐照度( (太阳常数太阳常数) )，光速，入射辐射与表面垂线之间的夹角。有关。，光速

27、，入射辐射与表面垂线之间的夹角。有关。由于太阳压力的作用，当地球与太阳在卫星轨道平面成一线时引起由于太阳压力的作用，当地球与太阳在卫星轨道平面成一线时引起对于圆形轨道的高度变化。对于圆形轨道的高度变化。 3 3、气象卫星的轨道、气象卫星的轨道 （1 1）、近极地太阳同步卫星轨道）、近极地太阳同步卫星轨道 所谓太阳同步轨道是指卫星的轨道平商和太阳始终保持相对固所谓太阳同步轨道是指卫星的轨道平商和太阳始终保持相对固定的取向。由于这种轨道的倾角接近定的取向。由于这种轨道的倾角接近9090，卫星要在极地附近通过，卫星要在极地附近通过，所以又称它为近极地太阳同步卫星轨道，有时简称极地轨道。，所以又称它为

28、近极地太阳同步卫星轨道，有时简称极地轨道。 图图2.9 2.9 近极地太阳同步轨道的示意图近极地太阳同步轨道的示意图 1)1)、太阳同步轨道的实现、太阳同步轨道的实现 地球绕太阳公转时跟随地球一起公转的轨道平面作平动，相地球绕太阳公转时跟随地球一起公转的轨道平面作平动，相对太阳的取向的改变为：对太阳的取向的改变为：360360，所以轨道平面每天取向的改变，所以轨道平面每天取向的改变( (转转过的度数过的度数) )为为360360/365/365天天=0=0985985天天11天。也就使得卫星天。也就使得卫星每天提早每天提早4 4分钟出现分钟出现 于同一观测点。为了使轨道平面相对于太阳始于同一观

29、测点。为了使轨道平面相对于太阳始终有固定的取向，必须克服轨道平面每天大约终有固定的取向，必须克服轨道平面每天大约1 1的取向改变。对的取向改变。对此，可以利用因地球的扁率引此，可以利用因地球的扁率引 起轨道平面的进动去抵消它。选定起轨道平面的进动去抵消它。选定合适的倾角，使轨道平面自西向东进动正好为合适的倾角，使轨道平面自西向东进动正好为1 1天左右，就抵天左右，就抵消了消了 轨道平面取向的改变，实现太阳同步轨道。轨道平面取向的改变，实现太阳同步轨道。 上式就是实现太阳同步卫星轨道的高度与倾角必须满足的条件。上式就是实现太阳同步卫星轨道的高度与倾角必须满足的条件。可以看出，卫星高度越高，为实现

30、太阳同步卫星轨道的倾角越大。可以看出，卫星高度越高，为实现太阳同步卫星轨道的倾角越大。如如TIROSNTIROSN系列卫星高度为系列卫星高度为833(870)km833(870)km，由上式算出轨道倾角为，由上式算出轨道倾角为9898739739(98(98899899) )。 2)2)、太阳同步轨道的优缺点、太阳同步轨道的优缺点 太阳同步轨道的优点有太阳同步轨道的优点有： 由于太阳同步轨道近似为圆形，轨道预告、接收和资料定位由于太阳同步轨道近似为圆形，轨道预告、接收和资料定位都很方便；都很方便； 有利于资料的处理和使用；有利于资料的处理和使用； 太阳同步轨道卫星可以观测全球，尤其可以观测两极

31、地区；太阳同步轨道卫星可以观测全球，尤其可以观测两极地区； 在观测时有合适的照明，可以得到充足的太阳能。在观测时有合适的照明，可以得到充足的太阳能。 太阳同步轨道的缺点是：太阳同步轨道的缺点是： 可以取得全球资料，但观测间隔长，对某可以取得全球资料，但观测间隔长，对某地区，一颗卫星在地区，一颗卫星在红外波段取得两次资料；红外波段取得两次资料； 观测次数少，不利于分析生命短的中小尺度天气系统。观测次数少，不利于分析生命短的中小尺度天气系统。 相邻两条轨道的资料不是同一时刻，这对资料的利用不利。相邻两条轨道的资料不是同一时刻，这对资料的利用不利。 （2 2）、地球静止卫星轨道）、地球静止卫星轨道

32、地球静止卫星轨道是卫星轨道的倾角等于地球静止卫星轨道是卫星轨道的倾角等于0 0，赤道平面与轨，赤道平面与轨道平面重合，则卫星在赤道上空运行，并且卫星的周期等于地球自道平面重合，则卫星在赤道上空运行，并且卫星的周期等于地球自转周期转周期(23(23小小 时时5656分分0404秒秒) )，其旋转方向相同，这样的轨道称做地，其旋转方向相同，这样的轨道称做地球同步卫星轨道。从地面上看，轨道上的卫星好象静止在天空某一球同步卫星轨道。从地面上看，轨道上的卫星好象静止在天空某一地地 方不动似的，所以又叫做静止卫星轨道。卫星称静止卫星。方不动似的，所以又叫做静止卫星轨道。卫星称静止卫星。 1)1)、 地球静

33、止轨道的实现地球静止轨道的实现 理想的静止卫星轨道：实现理想的静止卫星轨道理想的静止卫星轨道：实现理想的静止卫星轨道 必须满足下述必须满足下述条件：条件： 卫星运行方向与地球自转方向相同，即同向运行，卫星运行方向与地球自转方向相同，即同向运行， 卫星轨道倾角为卫星轨道倾角为0 0，即赤道平面与轨道平面完全重合，即赤道平面与轨道平面完全重合， 轨道偏心率轨道偏心率e e为为0 0，即轨道是圆形的，即轨道是圆形的， 周期为周期为2323小时小时5656分分0404秒。秒。 2）、静止卫星轨道的参数）、静止卫星轨道的参数 根据开普勒第三定律算得：根据开普勒第三定律算得： 3）静止卫星的漂移）静止卫星

34、的漂移 实际的静止卫星轨道不可能是圆形，而带有点椭圆形，在一天实际的静止卫星轨道不可能是圆形，而带有点椭圆形，在一天当中，卫星的轨道半径有时大有时小。当轨道半径偏大时，卫星速当中，卫星的轨道半径有时大有时小。当轨道半径偏大时，卫星速度减小，其相对于地球就度减小，其相对于地球就 要向西漂移，当轨道半径偏小时，卫星速要向西漂移，当轨道半径偏小时，卫星速度加大，就要向东漂移。所以一天之内，卫星要作东西向漂移。同度加大，就要向东漂移。所以一天之内，卫星要作东西向漂移。同时，卫星轨道倾角也不正好是时，卫星轨道倾角也不正好是0，常有，常有1的倾角；若不考的倾角；若不考 虑其它虑其它因素，卫星在一天内将作南

35、北漂移。因素，卫星在一天内将作南北漂移。 如若卫星轨道即带有一点椭圆如若卫星轨道即带有一点椭圆形，又有一点倾角，则卫星的形，又有一点倾角，则卫星的 星下点轨迹是上述两种结果的合成，星下点轨迹是上述两种结果的合成，使得每天的星下点轨迹在赤使得每天的星下点轨迹在赤 道两侧呈道两侧呈“8字形摆动。字形摆动。 (1)(1)地球对静止轨道上卫星的漂移作用地球对静止轨道上卫星的漂移作用 由于实际的地球是一个旋转椭球体，所以静止卫星升交点的进由于实际的地球是一个旋转椭球体，所以静止卫星升交点的进动率并不等于动率并不等于0 0，令，令i=0i=0，则可得，静止卫星的星下点每天的进动率，则可得，静止卫星的星下点

36、每天的进动率为：为：把把j2,Gj2,G的值和的值和a=6.229rca=6.229rc代入可得：代入可得： 这种进动是由于赤道隆起产生的，为消除卫星向西漂移，可以这种进动是由于赤道隆起产生的，为消除卫星向西漂移，可以从地面控制，降低卫星高度，增加其速度。从地面控制，降低卫星高度，增加其速度。 (2)(2)静止卫星轨道参数偏差引起卫星的漂移静止卫星轨道参数偏差引起卫星的漂移 实际的静止卫星轨道不可能是圆形的，有一点椭圆形，一天当实际的静止卫星轨道不可能是圆形的，有一点椭圆形，一天当中，卫星轨道半径有时大有时小，当半径偏大时，卫星速度减小，中，卫星轨道半径有时大有时小，当半径偏大时，卫星速度减小

37、，相对于地球就要向西漂移；当轨道半径偏小时，卫星速度加大，要相对于地球就要向西漂移；当轨道半径偏小时，卫星速度加大，要向东漂移。所以一天之内卫星要在东西方向上来回漂移。向东漂移。所以一天之内卫星要在东西方向上来回漂移。 卫星轨道倾角也不是卫星轨道倾角也不是0 0，常有大约，常有大约1 1的倾角，若不考虑其它因的倾角，若不考虑其它因素，卫星在一天之内将作南北漂移。素，卫星在一天之内将作南北漂移。 所以卫星星下点轨迹是上述两种作用的合成，在赤道两侧呈所以卫星星下点轨迹是上述两种作用的合成，在赤道两侧呈8 8字形或圆形摆动。字形或圆形摆动。 4 4）、）、 静止卫星轨道的有效利用静止卫星轨道的有效利

38、用 地球同步卫星轨道是赤道上空约地球同步卫星轨道是赤道上空约3586035860公里高处的圆形轨道，公里高处的圆形轨道，尽管这条轨道的圆周很长，但是由于连续不断地发射静止卫尽管这条轨道的圆周很长，但是由于连续不断地发射静止卫 星，星，卫星的位置迟早会出现拥挤现象，静止卫星只能在唯一的这条轨道卫星的位置迟早会出现拥挤现象，静止卫星只能在唯一的这条轨道上。同时即使不考虑卫星在空间位置上、的矛盾，假如卫星上。同时即使不考虑卫星在空间位置上、的矛盾，假如卫星 过于过于接近，也存在相邻卫星间的电波干扰问题；这就是从地面向卫星发接近，也存在相邻卫星间的电波干扰问题；这就是从地面向卫星发射电波，它附近的卫星

39、就会收到，从而产生干扰。为防止卫星间的射电波，它附近的卫星就会收到，从而产生干扰。为防止卫星间的相互干扰，要求地面站具有高方向性定向窄波束天线。相互干扰，要求地面站具有高方向性定向窄波束天线。 例如对于例如对于3 3间隔的卫星，波束宽度应小于间隔的卫星，波束宽度应小于2 20 05 5，若每隔，若每隔3 3放置放置 一颗一颗静止卫星，绕地球一圈可放静止卫星，绕地球一圈可放120120颗静止卫星，则两个相邻卫颗静止卫星，则两个相邻卫 星的圆星的圆周弧距为周弧距为 ： S=2 S=2（R+HR+H）/120/120=2210.04(km)=2210.04(km) 静止卫星的使用价值很高，各国都希望

40、尽早发射自己的卫星，静止卫星的使用价值很高，各国都希望尽早发射自己的卫星，世界各国又都集中在欧世界各国又都集中在欧 洲、亚洲，非洲这一带，南北美洲国家也洲、亚洲，非洲这一带，南北美洲国家也很集中，但是卫星的位置是有限的，这就涉及到如很集中，但是卫星的位置是有限的，这就涉及到如 何合理地、有何合理地、有效地使用静止卫星轨道。效地使用静止卫星轨道。 5 5）、）、 静止卫星的优缺点静止卫星的优缺点 静止卫星作为一个气象观测平台有许多优点：静止卫星作为一个气象观测平台有许多优点： 是卫是卫 星高度高，视野广阔，一个卫星可对南北星高度高，视野广阔，一个卫星可对南北7070S-70S-70N N，东西，

41、东西140140个经度，约占地球表面个经度，约占地球表面1 13 3约约1.71.7亿平方公里进行观测；亿平方公里进行观测； 是可以对某一固定区域进行连续观测，约半小时提供一张全景是可以对某一固定区域进行连续观测，约半小时提供一张全景圆面图，特殊需要时，圆面图，特殊需要时，3535分钟对某小区域进行一次观测；分钟对某小区域进行一次观测； 是可以连续监视天气云系的演变，特别是生命短，变化快的中是可以连续监视天气云系的演变，特别是生命短，变化快的中小尺度天气系统。如果把间隔为小尺度天气系统。如果把间隔为5 5分钟的图片连接成电影环，可以分钟的图片连接成电影环，可以连续连续 观察天气云系的演变观察天

42、气云系的演变 。 静止卫星的不足是：静止卫星的不足是： 它不能观测南北极区。它不能观测南北极区。 由于离地球很远，要得到清楚的图片，对仪器的要求很高。由于离地球很远，要得到清楚的图片，对仪器的要求很高。 卫星轨道有限。卫星轨道有限。 6 6）、卫星蚀和太阳干扰）、卫星蚀和太阳干扰 卫星蚀：卫星蚀：大家知道，当太阳，月亮和地球依次排列在大家知道，当太阳，月亮和地球依次排列在 一条一条直线上时，太阳被月亮挡住，就出现日蚀，当太阳，地球和月亮处直线上时，太阳被月亮挡住，就出现日蚀，当太阳，地球和月亮处于一条直线时，月球进入地球的阴影区，就发生月蚀。人造卫星也于一条直线时，月球进入地球的阴影区，就发生

43、月蚀。人造卫星也会发生这种情况，若太阳，地球和人造卫星在一条直线上时，人造会发生这种情况，若太阳，地球和人造卫星在一条直线上时，人造卫星进入地球阴影区，就出现卫星蚀。卫星进入地球阴影区，就出现卫星蚀。 如下图所示，静止卫星位如下图所示，静止卫星位于赤造平面内，所以静止卫星的卫星蚀蚀出现在春分和秋分前后的于赤造平面内，所以静止卫星的卫星蚀蚀出现在春分和秋分前后的一段时间内，卫星星下点地区正好处于午夜时分，一段时间内，卫星星下点地区正好处于午夜时分，在春分和秋分这在春分和秋分这两天卫星蚀的时间最长，达两天卫星蚀的时间最长，达72 72 分钟之久，卫星蚀可连续出现分钟之久，卫星蚀可连续出现4545天

44、天。 在卫星蚀出现期间，人造卫星上的太阳电池不能工作，所以用在卫星蚀出现期间，人造卫星上的太阳电池不能工作，所以用蓄电池供电，因此卫星必须带上大的蓄电池，才不会使卫星工作停蓄电池供电，因此卫星必须带上大的蓄电池，才不会使卫星工作停止。有时供电不足时，仍要停止某些观测项目或作某些调，处在卫止。有时供电不足时，仍要停止某些观测项目或作某些调，处在卫星蚀期间，因卫星中没有热量输入，卫星星体的温度下降，使得其星蚀期间，因卫星中没有热量输入，卫星星体的温度下降，使得其体积收缩，以致自旋速率加大。体积收缩，以致自旋速率加大。 太阳同步轨道卫星也出现卫星蚀。卫星蚀的时间长短，决定于太阳同步轨道卫星也出现卫星

45、蚀。卫星蚀的时间长短，决定于卫星高度和卫星经过各地的地方时时间。卫星高度和卫星经过各地的地方时时间。 图图2 210 10 静止卫星食示意图及发生天数和每次持续时间静止卫星食示意图及发生天数和每次持续时间 太阳干扰：太阳干扰： 当太阳，静止卫星和地球上的接收天线处在一条直线上当太阳，静止卫星和地球上的接收天线处在一条直线上时，地面接收天线正好对着太阳。在太阳进入接收天线波束期间，时，地面接收天线正好对着太阳。在太阳进入接收天线波束期间，在强烈的太阳射电噪声影响下，接收电波受严重干扰，地面接收在强烈的太阳射电噪声影响下，接收电波受严重干扰，地面接收天线收不到讯号，这样的干扰称太阳干扰。这种情况在

46、春分和秋天线收不到讯号，这样的干扰称太阳干扰。这种情况在春分和秋分前后连续数天发生，受干扰的时间的长短随天线直径大小而异。分前后连续数天发生，受干扰的时间的长短随天线直径大小而异。 4 4、全球卫星观测体系全球卫星观测体系 静止卫星和轨道卫星各有优缺点，要实现全球观测，只有将静止卫星和轨道卫星各有优缺点，要实现全球观测，只有将多颗静止气象卫星与几颗极地太阳同步气象卫星组合在一起，发多颗静止气象卫星与几颗极地太阳同步气象卫星组合在一起，发挥各自的优势，取长补短，形成全球卫星观测体系，实现对全球挥各自的优势，取长补短，形成全球卫星观测体系，实现对全球天气的监视。如图天气的监视。如图211所示，在静

47、止卫星轨道上放置五颗卫星，所示，在静止卫星轨道上放置五颗卫星，具体位置分别为：具体位置分别为：0(METEOSAT欧洲空间局欧洲空间局)、70E、140E(GMS日本日本)、140W(GOES一美国一美国)、75W(GOES美国美国)；极地太阳同步卫星有两颗，一个在上午通过，另一个在下午通过极地太阳同步卫星有两颗，一个在上午通过，另一个在下午通过各地，这样可以每间隔各地，这样可以每间隔0.5h获取全球资料，为有效覆盖全球，各获取全球资料，为有效覆盖全球，各卫星观测区有重叠。卫星观测区有重叠。 2.3 2.3 、气象卫星的发射、气象卫星的发射 人造卫星是火箭技术迅速发展的结果。为了将卫星送入轨道

48、，人造卫星是火箭技术迅速发展的结果。为了将卫星送入轨道，一般采用多级火箭。当第一级火箭点火后，整个火箭便慢慢地离开一般采用多级火箭。当第一级火箭点火后，整个火箭便慢慢地离开发射台，第一级火箭级燃料烧尽时，将壳体分离抛弃，得速度发射台，第一级火箭级燃料烧尽时，将壳体分离抛弃，得速度V1V1；然后第二级点火，第二级推进剂烧完，又把壳体抛弃，速度增量然后第二级点火，第二级推进剂烧完，又把壳体抛弃，速度增量V2V2，接着第三级点火，速度增量为，接着第三级点火，速度增量为V3V3，最终速度为，最终速度为V 1V 1十十V2V2十十V3V3。 1 1、 极轨卫星的发射极轨卫星的发射 发射过程分为如下几段：

49、发射过程分为如下几段：垂直上升段垂直上升段：此段，箭很大很重及空气密度大此段，箭很大很重及空气密度大 ，大气的阻力也大，所以火箭，大气的阻力也大，所以火箭垂直缓慢穿过大气层；垂直缓慢穿过大气层；转弯飞行段，转弯飞行段，火箭垂直穿过稠密大气层后火箭垂直穿过稠密大气层后，火箭将向预定轨道飞行。，火箭将向预定轨道飞行。自由飞行段自由飞行段，主要火箭荷重已脱离，主要火箭荷重已脱离，剩余火箭及卫星在空间靠惯性自由飞行；剩余火箭及卫星在空间靠惯性自由飞行；卫星入轨段卫星入轨段：当火箭在：当火箭在自由飞行段到达预定高度和速度时，点燃第三自由飞行段到达预定高度和速度时，点燃第三 级火箭，加速飞行级火箭，加速飞

50、行，最后到达卫星轨道应具有的高，最后到达卫星轨道应具有的高 度、速度和方向时，卫星与火箭度、速度和方向时，卫星与火箭分离，进入轨道。分离，进入轨道。 2 2、静止轨道卫星的发射、静止轨道卫星的发射 静止卫星轨道是离地面高度约静止卫星轨道是离地面高度约3586035860公里的赤道平面轨道，用公里的赤道平面轨道，用火箭一下子送到这样高的轨道，需要花费相当巨大的能量。火箭一下子送到这样高的轨道，需要花费相当巨大的能量。 先由火箭把卫星发射到先由火箭把卫星发射到 180250180250公里的低高度轨道上，称暂公里的低高度轨道上，称暂定轨道或定轨道或初始轨道；初始轨道； 当运行到与赤道平面相交处，当

51、运行到与赤道平面相交处， 点燃火箭，使卫星进入远地点点燃火箭，使卫星进入远地点高度为高度为3586035860公里的偏心率很大的椭圆轨道，叫公里的偏心率很大的椭圆轨道，叫转移轨道；转移轨道； 当卫星沿转移轨道运行几圈后，到达远地点赤道上空时，点当卫星沿转移轨道运行几圈后，到达远地点赤道上空时，点燃远地点发动机使卫星获得速度增量燃远地点发动机使卫星获得速度增量V V，偏离椭圆轨道；偏离椭圆轨道； 卫星切卫星切 线速度线速度VoVo轨轨=3.07=3.07千米秒时，卫星便进入接近预定千米秒时，卫星便进入接近预定的圆形轨道，的圆形轨道， 称为称为漂移轨道，也叫近静止轨道，漂移轨道，也叫近静止轨道，最

52、后用小推力喷最后用小推力喷嘴，修正最后发射误差，把卫星送到静止卫星轨道上。嘴，修正最后发射误差，把卫星送到静止卫星轨道上。 2.4 气象卫星基本系统气象卫星基本系统 气象卫星通常由基本卫星系统和探测仪器设备系统两部分组成。气象卫星通常由基本卫星系统和探测仪器设备系统两部分组成。基本卫星系统的任务是保障探测系统正常工作，包括卫星姿态控制，基本卫星系统的任务是保障探测系统正常工作，包括卫星姿态控制，能源的供给，温度控制和指令通讯系统。探测设备系能源的供给，温度控制和指令通讯系统。探测设备系 统是各种探统是各种探测仪器。测仪器。 1 1）卫星的姿态）卫星的姿态 卫星的姿态是指卫星在空间相对于轨道平面

53、，地球表面或任何卫星的姿态是指卫星在空间相对于轨道平面，地球表面或任何坐标系的固定取向，它决定卫星仪器对地面的观测方式和资料的可坐标系的固定取向，它决定卫星仪器对地面的观测方式和资料的可利用性。仪器正对地面观测，图片对称，比例一致。仪器斜对地面利用性。仪器正对地面观测，图片对称，比例一致。仪器斜对地面观测，图片被压缩或拉长，比例不一，不利于应用。为此必须对卫观测，图片被压缩或拉长，比例不一，不利于应用。为此必须对卫星的姿态作控制。星的姿态作控制。 （1)1)自旋稳定：自旋稳定：卫星围绕自身对称轴以一定角速度旋转，在没有卫星围绕自身对称轴以一定角速度旋转，在没有空气阻力下，卫星的角动量守恒，自转轴方向空气阻力下，卫星的角动量守恒，自转轴方向 始终不变，这种使始终不变，这种使卫星稳定下来的方式称自旋稳定。早期的泰罗斯