02卫星轨道与导航分解

2.卫星运动规律与气象卫星轨道8/16/20241卫星的运动规律

假设地球为均质理想球体，质心在地心；卫星质量<<地球质量，可忽略；卫星自身尺度<<卫星-地球的距离，可视为质点；忽略其它因素对卫星的作用力那么，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。8/16/20242卫星的运动规律北南轨道轨道平面赤道平面8/16/20243卫星的运动方程=常数轨道地心其中：r

是卫星的矢径；为幅角；；h

为积分常数。8/16/20244卫星的运动方程求解方程可得

A

为积分常数。令，，则——圆锥曲线，力心位于焦点上。8/16/20245（近地点）（远地点）卫星的运动方程当e=0，

，轨道为圆。当e<1，椭圆轨道，以地心为焦点，焦点与椭圆中心不重合，，。近地点；远地点。8/16/20246卫星的运动方程当e=1,卫星脱离地球引力，抛物线轨道

太阳行星

无法对地观测；当e>1,卫星脱离太阳系引力，双曲线轨道

恒星

无法对地球观测。8/16/20247卫星运动三定律卫星运行的轨道是一圆锥截线（圆、椭圆、抛物线、双曲线），地球位于其中的一个焦点上。椭圆轨道圆轨道双曲线轨道抛物线轨道8/16/20248卫星运动三定律卫星的矢径在相等的时间扫过的面积相等。据此，可以推导出卫星在轨道上运行时的能量——卫星活力公式8/16/20249近地点时，，由(2.7)式，代入(2.11)式可得远地点时，圆形轨道时，——卫星入轨最小速度/第一宇宙速度8/16/202410实现卫星椭圆轨道，必须克服地球引力，即但是，当时，卫星轨道变成抛物线，卫星成为行星。此时，由卫星活力公式(2.11)可得卫星入轨速度应为因此，实现椭圆轨道的入轨速度必须满足当卫星入轨速度大至足以克服太阳引力时，便进入银河系，成为恒星。此时，其入轨速度。8/16/202411卫星运动三定律卫星轨道半长轴的三次方与其轨道运行周期二次方的比值为常数。8/16/202412卫星运动三定律例1：NOAA卫星轨道离地表约850km，卫星周期T=？FY-1，H=830km，T=6080s=101.3min。8/16/202413卫星运动三定律例2：地球同步卫星的轨道离地表有多高？

卫星在轨运行的角速度与地球相同，即代入(2.15)式，有，其中8/16/202414卫星轨道参数星下点轨迹升交点/降交点升段/降段倾角截距轨道数周期北南轨道轨道平面赤道平面8/16/202415卫星定位卫星轨道参数平均近点角其中：平均角速度已知卫星通过近地的时刻()，可以确定任意时刻(t

)卫星的在轨位置。近点角：卫星在轨道平面内的升交点与近地点之间的夹角。8/16/202416（近地点）（远地点）真近点角偏近点角E8/16/202417卫星定位卫星定位的六个参数轨道参数：半长轴a

，偏心率e

，倾角i

；通过计算获得的平均近点角M

，升交点赤经和近点角：8/16/202418矢量旋转法定位卫星确定卫星在轨道平面的位置：计算真近点角和矢量半径r

：8/16/202419矢量旋转法定位卫星在以地心为中心、轨道平面所在的X-Y平面（近地点位于X轴正向）所处的天球坐标系中，卫星矢径的笛卡尔坐标可以表示为（图2.5a）：8/16/202420矢量旋转法定位卫星将矢径绕Z轴旋转近地点角，得到新的矢径（图2.5b）：8/16/202421矢量旋转法定位卫星将轨道平面绕X轴转动倾角i，得到新矢径矢径（图2.5c）：8/16/202422矢量旋转法定位卫星将轨道平面绕Z轴转动升交点赤经，得到新矢径矢径（图2.5d）：8/16/202423矢量旋转法定位卫星矢径就是t

时刻卫星在天球坐标系中的位置：——卫星的轨道半径——卫星的赤纬——卫星的升交点赤经8/16/202424卫星跟踪8/16/202425卫星跟踪地心到卫星的矢径为：地心到天线的矢径为：8/16/202426卫星定位与跟踪假设地球是球形，则卫星天顶角的余弦为：卫星方位角为：8/16/202427卫星轨道报释义及应用8/16/2024288/16/202429从地球观察卫星运行轨道8/16/2024308/16/202431Forthegivenorbitingparameters:

Inclinationangle=35,Orbitheight=350km,CircularorbitTRMMsub-satellitetrack8/16/202432气象卫星轨道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；它们分别又经历实验-业务使用卫星阶段。此外，还有近年来发展的观测试验卫星、海洋卫星、陆地卫星、GPS掩星亦可提供气象观测资料。8/16/2024338/16/202434卫星轨道的摄动卫星轨道平面的进动率如果，即卫星轨道为前进轨道，则，表明卫星轨道平面自东向西进动；如果，即卫星轨道为后退轨道，则，表明卫星轨道平面自西向东进动。NS8/16/202435卫星轨道的摄动R赤道>R极地

摄动力f

时，轨道平面自东向西进动；

时，轨道平面自西向东进动。8/16/202436卫星轨道的摄动卫星轨道平面长轴的旋转升（降）降交点周期近地点周期8/16/202437卫星轨道的摄动空气阻力对卫星轨道的影响空气阻力使卫星动能不断减小，轨道日益缩小，偏心率逐渐减小，变化率为：8/16/202438卫星轨道的摄动太阳、月球引力对卫星轨道的影响在静止卫星轨道高度上：太阳引力是地球引力的1/37；月球引力是地球引力的1/6800；太阳辐射压力对卫星轨道的影响太阳直接辐射和地球反射辐射产生的辐射压力当地球与太阳在卫星轨道平面成一线时引起圆形轨道的变化率为：8/16/202439气象卫星探测的要求资料应用方便（圆形轨道，太阳同步，对地静止……）长期观测（卫星成本，数据一致性-气候研究）连续观测（时间分辨率高）空间分辨率（中小尺度天气，地表特征……）综合观测（大气、地表、太阳……）资料精度（如T<1.0°C）8/16/202440太阳同步轨道的实现地球绕太阳逆时针公转()

卫星出现在同一地点的时件提前。因此，必须利用轨道平面的进动加以抵消

采用后退轨道，且轨道平面的进动速率为。这样，才能保证卫星每天正好在相同时刻出现在同一观测地点。8/16/2024413：00地球轨道15：00太阳卫星轨道春夏秋冬9：0021：00

地球轨道太阳卫星轨道春夏秋冬15：0015：0015：0015：008/16/202442太阳同步轨道的实现根据(2.46)式，有如果太阳同步轨道是圆形轨道，则a=R+H，e=0，则

——实现太阳同步轨道的条件8/16/202443太阳同步轨道的特点优点轨道近于圆形，轨道预告、资料接收和定位处理比较方便；可以实现全球观测，尤其是极地地区；观测时有合适的光照条件，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。8/16/202444地球同步卫星轨道的实现轨道平面与地球赤道平面重合，即轨道平面倾角i=0；卫星公转方向与地球自转方向一致；卫星运行周期与地球自转周期（23小时56分04秒）相同。由8/16/202445地球同步卫星轨道的实现地球扁椭球体引起的飘移

当i=0时，由

——表明静止卫星每天在轨道上自东向西进动实际卫星轨道会有一点椭圆形，倾角也很难正好等于0°，常有约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。8/16/2024468/16/202447地球同步卫星轨道的有效利用若在地球同步轨道上每隔3

放置一颗卫星，可放置共120颗卫星，两颗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。8/16/202448地球同步卫星轨道的实现轨道参数偏差引起的飘移静止卫星轨道并非完全的圆形轨道

卫星在轨道上有东西飘移；静止卫星轨道约有1°倾角

卫星有南北飘移。卫星食和太阳干扰

——春分和秋分时最甚（图2.10b）

太阳太阳

8/16/202449地球同步卫星轨道的特点优点轨道高度高，视野开阔；观测数据的时间分辨率比较高；缺点无法观测极区；观测数据的空间分辨率比较低；对观测仪器的性能要求比较高；8/16/2024508/16/202451极轨卫星的发射极轨卫星发射过程垂直上升段：以最短距离穿过大气层；转弯飞行段：将火箭引向预定的轨道方向飞行；自由飞行段：惯性飞行；入轨段：火箭到达卫星轨道高度、速度和方向，星箭分离，卫星入轨。8/16/202452静止卫星的发射静止卫星发射过程（图2.12）火箭将卫星送入初始轨道（