兰州大学《卫星气象学》第2章-卫星运动规律和气象卫星轨道分解

兰州大学《卫星气象学》第2章-卫星运动规律和气象卫星轨道分解第一页，共68页。第二章

卫星运动规律和气象卫星轨道第二页，共68页。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第三页，共68页。假定：(1)地球，理想球体、均质，质心在地心；(2)卫星质量地球质量，可忽略；(3)星-地的距离>>卫星本身尺度，质点；(4)忽略其它因素对卫星的作用力。

2.1气象卫星运动规律2.1.1卫星的运动方程第四页，共68页。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：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第五页，共68页。式中r是卫星的矢径，θ为幅角。在轨道面上的运动方程为：rv轨道地心第六页，共68页。开普勒运动三定律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。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·开普勒

JohannesKepler

（1571-1630）德国物理学家第七页，共68页。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。椭圆轨道圆轨道双曲线轨道抛物线轨道第八页，共68页。解方程组得A，为积分常数。如果，令p=h2/µ

，

e=Ap（偏心率）

，得——圆锥曲线,力心位于焦点上。第九页，共68页。卫星轨道可以是圆锥曲线的一种当e=0，rp，轨道为圆。当e1,椭圆轨道，以地心为焦点,焦点与椭圆中心不重合。e=c/a偏心率，a半长轴，c是焦距。p=a(1-e2)

近地点矢径rp=a（1-e）远地点矢径ra=a（1+e）当e=1,卫星脱离地球引力，抛物线轨道当e1,卫星脱离太阳系引力，双曲线轨道第十页，共68页。◆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。第十一页，共68页。卫星的矢径在相等时间内扫过的面积相等（即面积速度为常数）角速度：=

d/dtrv轨道地心=常数第十二页，共68页。卫星在椭圆轨道上的总能量为：——卫星活力公式总能量动能势能椭圆轨道半长轴因此，卫星在轨道上的运行速度为第十三页，共68页。在椭圆轨道上在圆轨道上V近=[(2/r近–1/a)]1/2=[(/a)(1+e)/(1–e)]½V远=[(2/r远–1/a)]1/2=[(/a)(1–e)/(1+e)]½V圆=[/r圆]1/2=[/（R+H）]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）]1/2第十四页，共68页。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ap第十五页，共68页。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础。公式表示为：卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。第十六页，共68页。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：FY-1,H=830km,T=6080s=101.3minFY-2,H=35860km,T=24小时1.椭圆轨道2.圆轨道第十七页，共68页。2.1.2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：

GMm/r2=mv2/r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。取r=R=6370km，有v=V1=7.912km/s

第一宇宙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。

若v

<

V1，则向心力>离心力而落向地面。若v>V1，则离心力>向心力而脱离半径为6370km的圆轨道。一、卫星实现圆轨道运动的条件第十八页，共68页。

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a，卫星就演变为太阳行星，而轨道成为抛物线形。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，称第二宇宙速度（逃逸速度）。它是地面发射一颗行星所需要的最小速度。因此，实现椭圆轨道的条件为：

v1<v椭

<v2

二、卫星实现椭圆轨道运动的条件第十九页，共68页。

若卫星飞行速度进一步加大，卫星的离心力进一步增大到大于太阳引力，则卫星脱离太阳的引力场进入银河系。根据理论力学，卫星要从地表面脱离地球引力场进而脱离太阳引力场所需要的速度约为：

称之为第三宇宙速度。第二十页，共68页。天球坐标系2.2卫星的轨道参数和轨道的摄动第二十一页，共68页。北南轨道轨道平面赤道平面根据理论力学，卫星在地球引力（有心力）作用下的运动为平面运动。该平面称为轨道面，轨道面过地心。卫星的轨道参数基本概念第二十二页，共68页。升交点与降交点：卫星由南半球飞往北半球那一段轨道称为轨道的升段；卫星由北半球飞往南半球那一段轨道称为轨道的降段；轨道的升段与赤道的交点称升交点。轨道的降段与赤道的交点称降交点轨道倾角：指赤道平面与轨道平面间的（升段）夹角。地球坐标系北南升交点星下点轨迹倾角轨道平面赤道平面轨道第二十三页，共68页。北南升交点星下点轨迹倾角轨道平面赤道平面轨道周期(T)：指卫星绕地球运行一周的时间；截距(L)：连续两次升交点之间的经度差。

L=T*15度/小时。星下点：卫星与地球中心连线在地球表面的交点称为星下点。轨道数：指卫星从一升交点开始到以后任何一个升交点为止环绕地球运行一圈的轨道数目。第二十四页，共68页。描述卫星位置的几个参数升交点赤经倾角偏心率轨道半长轴近地点角平均近点角卫星真近点角和偏近点角地理坐标中的轨道参数星下点；升交点和降交点；截距；轨道数第二十五页，共68页。

由地球偏率、大气阻力和太阳月亮的引力等的影响，卫星轨道会偏离轨道平面,轨道参数会随时间缓慢变化，与卫星运动三定律得出的轨道总有偏离，这种偏离叫做卫星轨道的摄动。·卫星轨道摄动（选修）第二十六页，共68页。1、地球偏率引起的卫星轨道摄动1）卫星轨道平面的进动率

10/（1-e2）2

·（R/a）3.5

cosiSN卫星轨道进动方向ff1sS’S1’S1·春分点赤道第二十七页，共68页。（2）轨道平面长轴的旋转地球椭球体对卫星的另一作用是轨道长轴在轨道内的旋转。

10/（1-e2）2·（R/a）3.5[（5/2）cos2i-（1/2）]2、大气阻力对卫星轨道的影响

F=（1/2mS）CDAv2

3、太阳、月亮的引力对卫星轨道的影响第二十八页，共68页。2.3.1卫星轨道的分类按卫星轨道的倾角划分：前进轨道（顺行轨道）倾角在0-90度之间，卫星顺地球自转方向，由西南向东北或由西北向东南方向运动。后退轨道（逆行轨道）

倾角在90-180度之间，卫星逆地球自转方向，由东北向西南或由东南向西北方向运动。利用后退轨道可以实现太阳同步卫星轨道。2.3气象卫星轨道第二十九页，共68页。按轨道的倾角划分：赤道轨道

倾角为0或180度时，卫星在赤道上空向东或向西运行。倾角为0度时，卫星与地球同向运行，实现静止轨道；倾角为180度时，卫星可以在较短时间观测全球所有热带地区。极地轨道倾角为90度时，卫星通过南北两极，实现极地轨道。第三十页，共68页。按卫星轨道的高度划分低高度短寿命轨道150-200km，寿命只有1-3周，大多为军事侦察卫星。中高度长寿命轨道350-1500km，寿命1年以上，大多为气象卫星、海洋卫星和陆地卫星。高高度长寿命轨道

35800km，寿命几年以上，为地球静止卫星，可用于气象、广播和通讯等领域。按卫星轨道的偏心率划分圆形轨道偏心率e=0，做圆周运动，对卫星遥感特别有利椭圆形轨道偏心率e=0，做椭圆形运动，可在不同高度对大气进行观测，获取大气密度和其他有用资料第三十一页，共68页。

气象卫星的发展分为近极地轨道（又称近极地太阳同步轨道）卫星系列和地球静止轨道（又称地球同步轨道）卫星系列两类。它们分别又经历了实验—业务使用卫星阶段。极轨和静止卫星轨道第三十二页，共68页。2.3.2地球同步/静止卫星轨道（GEO)H=35860KmSN1.地球同步／静止卫星轨道卫星相对于地球而言是静止的（没有任何方向上的运动）。第三十三页，共68页。地球同步卫星轨道的实现①轨道倾角i=0；②运行方向与地球自转方向相同；③轨道偏心率e=0；④运行周期T=23小时56分04秒。

H=[（/42）T2]1/3-R=35860（km）

V=[/（R+H）]1/2=3.07（km/s）实际卫星轨道会有点椭圆形，倾角也很难正好等于0，常有~1的倾角。这种误差会使卫星的星下点在以赤道为中心的两侧产生“8”字形的摆动。地球同步卫星轨道的有效利用若在地球同步轨道上每3°放置一颗卫星，共可放置120颗卫星，两相邻卫星间的距离为2210.04公里。地面站接收天线波束宽度应小于20.5。第三十四页，共68页。地球同步卫星轨道的优缺点优点：（1）高度高，视野广；（2）对同一地区连续观测；（3）监视中小尺度天气系统；（4）圆轨道，定位、处理、接收方便。缺点：（1）不能观测两极；（2）高度高，精度难提高。第三十五页，共68页。1、什么是近极地太阳同步卫星轨道太阳同步轨道2.3.3近极地太阳同步卫星轨道地球轨道太阳卫星轨道春夏秋冬15：0015：0015：0015：00卫星轨道面与太阳的相对取向保持不变，即每天过升交点的局地时间相同。第三十六页，共68页。近极地太阳同步卫星轨道POEScoverageofnorthandsouthpolarregionsinahalfday第三十七页，共68页。2、近极地太阳同步卫星轨道的实现3：00地球轨道15：00太阳卫星轨道春夏秋冬9：0021：00

（1）卫星轨道平面随地球绕太阳公转时的平动卫星轨道平面随地球绕太阳公转时的相对转动一年内卫星轨道平面相对于太阳发生顺时针360的转动！平均每天变化为：

360/365天=+0.985/天（+号表示转动方向从东向西）第三十八页，共68页。（2）卫星轨道平面因地球椭形而进动选择i>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：10cosi*(R/（R+H））3.5i<90,

>0,进动自东向西；

i>90,

<0,进动自西向东.NS（3）近极地太阳同步卫星轨道的实现第三十九页，共68页。3、太阳同步轨道的特点优点：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用；仪器可以得到充分的太阳能供给。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。第四十页，共68页。4、卫星食和太阳干扰（1）静止卫星的卫星食太阳轨道地球卫星太阳轨道卫星地球（a）图2-12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。20100102070605040302010每次卫星蚀时间/分钟从春（秋）分算起（b）第四十一页，共68页。2.3.4其他轨道（研究与发展）whichorbitbetweencertainlatitudesafewhundredkmabovethesurface(lowerEarthorbits)--Example:TheTRMMorbitiscircularandisatanaltitudeof350kmandaninclinationof35degreestotheEquator.TRMMfliesovereachpositionontheEarth'ssurfaceatadifferentlocaltimeeachday.Soitisgoodfordiurnalvariationstudies.第四十二页，共68页。现代卫星观测系统第四十三页，共68页。用于数值天气预报的卫星数据QuikscatoceansurfacewindvectorsAVHRRSSTAVHRRvegetationfractionAVHRRsurfacetypeMulti-satellitesnowcoverMulti-satelliteseaiceSBUV/2ozoneprototalozoneAltimetersealevelobservations(oceandataassimilation)AIRSMODISWindsCOSMICHIRSsounderradiancesAMSU-AsounderradiancesAMSU-BsounderradiancesGOESsounderradiancesGOES,Meteosat,GMSwindsGOESprecipitationrateSSM/IprecipitationratesTRMMprecipitationratesSSM/IoceansurfacewindspeedsERS-2oceansurfacewindvectors第四十四页，共68页。2.4.1极地轨道卫星的发射过程2.4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（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，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）第四十五页，共68页。现有的静止业务气象卫星发射国家过去新一代美国GOES-8GOESN-R主要功能

三轴稳定、5通道成像仪、1000×1000㎞2，40秒观测一次，红外垂直探测器10通道成像仪、干涉式红外线分光、太阳X射线成像仪、闪电

成像仪云图、云迹风、温、湿廓线、云参数、OLR、SST云图、云迹风、高垂直分辨率T、P、Q廓线、云参数、OLR、SST、地表特征、闪电分布欧洲气象卫星组织METEOSATMSG主要功能自旋稳定、3通道可见、红外成像仪自旋稳定、12通道可见、红外成像仪云图、云迹风、OLR、SST、云参数云图、云迹风、OLR、SST云参数、地表特征2.5气象卫星发展状况第四十六页，共68页。GOES卫星（地球同步环境卫星）第四十七页，共68页。GOES-R卫星（第三代）第四十八页，共68页。METEOSAT

卫星第四十九页，共68页。MSG（欧洲二代）卫星第五十页，共68页。发射国家过去现在日本GMSMTSAT主要功能自旋、4通道可见红外自旋扫描成像仪三轴稳定、5通道可见红外成像仪、航空管制云图、云迹风、OLR、SST、云参数、对流层中上部水汽量云图、云迹风、云参数、OLR、SST、地表特征、闪电分布中国FY-2FY-2主要功能自旋、3通道可见红外成像仪自旋、5通道可见红外成像仪云图、云迹风、OLR、SST、云参数、对流层中上部水汽量云图、云迹风、OLR、SST云参数、对流层中上部水汽量、晴空水汽量现有的静止业务气象卫星第五十一页，共68页。GMS

卫星第五十二页，共68页。MTSAT(日本二代)卫星第五十三页，共68页。FY-2卫星第五十四页，共68页。发射国家现状未来发展

美国

NOAA-15---（第五代）NPOESS（军民合用）主

要

功

能AVHRR-3、ATOVS

可见红外线成像仪、微波成像仪、红外微波大气探测器、O3成像廓线仪、GPSOS图像、SST、NDVI、云参数、冰雪、水体、高温热源、全天候T、P、Q廓线、O3图像、SST、NDVI和LAI、冰雪、水体、高温热源、云参数（粒径、相态、含水量）、土地利用、海洋水色、高垂直分辨率T、P、Q廓线、O3图像和廓线、电离层电子浓度、平流层中层的T、P、ρ廓线现有和未来极轨业务气象卫星第五十五页，共68页。NOAA-K

卫星第五十六页，共68页。NPOESS

卫星（模型）第五十七页，共68页。现有和未来极轨业务气象卫星发射国家现状未来发展中国FY-1C、D，FY-3FY-5主

要

功

能10通道可见光、红外扫描辐射仪

可见红外线成像仪、高分辨率红外分光计、微波成像仪、微波辐射仪、、紫外臭氧探测器、中分辨率成像光谱辐射仪图像、SST、NDVI、海洋水色、云参数、冰雪、水体、高温热源图像、SST、NDVI和LAI、冰雪、水体、高温热源、云参数（粒径、相态、含水量）、土地利用、海洋水色、全天候温压湿度廓线、O3第五十八页，共68页。FY-1卫星第五十九页，共68页。第六十页，共68页。

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NPOESSMETOPNPOESS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第六十一页，共68页。极轨业务气象卫星（续）热带观测卫星（TRMM）卫星、倾角35度、高度350KM,观测测仪器及参数如下：

仪器分辨率频率（波长）扫描宽度微波辐射仪10KM19.37GHz600KM雷达4KM14GHz220KMVIS/IR扫描辐射仪1KM0.5-0.7/10-12m600KM第六十二页，共68页。观测试验卫星卫星探测器主要任务EOS-Terra(AM)中分辨成像光谱仪(MODIS)、热辐射反射辐射计(ASTER)、云和地球辐射能量系统(CERES)、污染测量仪（MOPITT）、多角度成像光谱仪（MISR）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、温度计、多频微波成像仪、云辐射和MODIS同上

全球环境监测EOS-Color

（水色）Sea—WIFS（海洋宽视场探测器）全球海洋水色监测EOS-Aero

（气溶胶）57°倾角，平流层气溶胶实验（SAGEIV）全球气溶胶监测EOS-ALT

（测高）高度计、地球科学激光测距系统GPS地球科学仪（GGI）海面/海冰/陆地拓朴EOS-Chem(化学)Stick散射计、对流层辐射光谱仪、高分辨动态分层探测器、SAGE器全球大气化学成份监测

地球观测系统(EOS)

——国际全球变化研究计划(GCRP)的主要成果第六十三页，共68页。EOS-Terra(AM)各类遥感探测器的主要观测功能学科探测内容遥感探测器

学科探测内容遥感探测器

大

气

云性质MODIS,MISR,ASTER

海

洋海表温度MODIS辐射能CERES,MODIS,MISR浮游植物可溶性有机物表面风场海面高度

MODISMISR降水、平流层化学、对流层化学MOPITT气溶胶MIS,MODIS大气温、湿度MODIS

冰雪圈

陆地冰的变化

ASTER

陆

地陆地覆盖和土地利用变化MODIS,MISR,ASTER植被、地表温度MODIS,MISR,ASTER海冰雪覆盖MODISASTER火灾发生率MODIS,ASTER火山效应MODIS,STER太阳太阳总辐射CERES,MODIS,MISR地表湿度MODIS,ASTER第六十四页，共68页。海洋卫星

1、探索试验阶段(1974-1978)在NOAA和Landsat卫星上进行探测试验。2、实验研究阶段(1978-1985)SeaSat(1978.6)

Nimbus(1978.10)SeaSat上有5台遥感探测器:

合成孔径雷达(SAR)；雷达高度计（ALT）；微波散射计（SASS）；多通道扫描微波辐射计（SMMR）；可见光红外辐射计（