大学经典卫星气象学课件2

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1、第二章 气象卫星基本知识,气象卫星系统,4,开普勒第一定律 卫星运动的轨道是一个圆锥截线，该截线的一个焦点与地球的质心相重合。,2.1 气象卫星的轨道,开普勒第二定律 卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等。,开普勒第三定律 卫星运行周期的平方，与轨道椭圆长半径的立方成正比且为一常量，而该常量等于地球引力常数GM的倒数。,（1）对于第一定律，卫星运动轨道是一圆锥截线，其表示式为： 式中ec/a是偏心率，a是半长轴，c是焦距，Pr（1+ecos）是半通径，是矢径r与半长轴a的夹角（真近点角）。 偏心率是决定轨道形状的主要参数： 当e0时，c=0，P=r=

2、a，卫星轨道是以地心为圆心的圆形轨道。 当 e1时，卫星的运动轨道是以地心为一焦点的椭圆形轨道。其C0，焦点与椭圆中心不重合，而半通径p=a（1 ）。 当 e1时，运动轨道是以地心为焦点的抛物线。焦距与半长轴相等。运动物体沿抛物线轨道飞离地球，成为太阳系的人造卫星。 当e1时，运动轨道是以地心为焦点的双曲线，ca，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。,（2.7）,（2）根据第二定律，有 式中dA是半径在dt时间内扫过的面积，h是一常数。 卫星在椭圆轨道上的总能量为： 式中m为卫星质量，r是卫星的矢径 ，=GM为开普勒常数，G是万有引力常数，M是地球质量。,可得卫星在轨

3、道的速度为： （2.11） 称为卫星活力公式，可计算出卫星在轨道上任一点的速度。 由此得到卫星在近地点的速度为：,（2.12）,（2.13）,（2.14）,（3）、根据第三定律可确定卫星的周期： 可见卫星的周期仅决定于轨道的长半轴。,（2.15）,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。卫星轨道的形状只取决于火箭将它送入轨道时一瞬间的速度-入轨速度。 卫星环绕地球运行时，作用于它的有地心引力、离心力。离心力的大小决定于卫星速度。离心力小于地心引力，物体要落回地面。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，平衡

4、的圆周运动被破坏将作椭圆运动。速度再加大，其运动轨道将为抛物线或双曲线。,1、实现圆型轨道的条件是卫星入轨速度： 离心力=地心引力 Vc是卫星入轨速度，也称做环绕速度。 如果物体在地面附近发射，则以 rR（地球半径） 6370公里代入上式，并记这时的Vc为V1，便有 V17912千米秒。 这是卫星在地面发射入轨时所需要的最小速度，把它称做第一宇宙速度。卫星在某高度作圆轨道运动，除速度必须等于环绕速度外，而且要求入轨速度方向必须与地面平行。,（2.16）,（2.17）,圆轨运动：速度和入轨方向,2、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球引力场，即 a

5、，则由活力公式得 可见，当卫星达到 速度时，就演变为行星，轨道也不是椭圆形，而是双曲线。因此卫星作椭圆轨道运动所需的入轨速度应满足 Vp = V椭Vc Vp称做抛物线速度。若将卫星在地面附近作环绕速度的Vc=V1代入Vp式，并把此时的Vp记为V2，得 V2=11 .2千米/秒 称为第二宇宙速度、逃逸速度，是地面发射行星所需的最小速度。,（2.18）,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 V3=16.9千米/秒 为第三宇宙速度。,2.2 轨道参数和卫星轨道 1、卫星的轨道参数：描述卫星在空间中的运动规律。,截距：卫星运行一个周期地球赤道所转过的距离。卫星绕地球公转的同

6、时，地球不停自转，卫星沿规定转一周约2小时，地球自转需24小时，每小时转过15度，所以卫星一个周期在赤道的截距是30个经度。,高度：卫星轨道离地球表面的距离；,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交点为升交点，自北向南与地球赤道的交点为降交点。,星下点：卫星与地球中心连线在地球表面的交点称星下点。由于卫星的运动和地球的自转，星下点在地球表面形成一条连续的轨迹，星下点常用经、纬度表示其位置。,卫星轨道 参数,倾角：卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角；,周期：卫星沿其轨道运行一周所需的时间。,偏心率e：轨道的半焦距与长半轴之比。 轨道长半径a：轨道在长轴方向由轨道中心到轨道上的距离。

7、 近地点角 ：指卫星在轨道平面内升交点与近地点直接的夹角。 此外还有平均近点角，卫星真近点角，偏近点角E和轨道数,其它一些轨道参数,2、气象卫星的轨道 （1）、近极地太阳同步卫星轨道 指卫星的轨道平面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90，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，简称极地轨道。 近极地太阳同步和地球静止轨道的示意图,FY-1系列,1)、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，相对太阳的取向的改变为：360，所以轨道平面每天取向的改变(转过的度数)为360/365天=0985天1天。 为了使轨道平面相对于太阳始终

8、有固定的取向，必须克服轨道平面每天大约1的取向改变。对此，可以利用因地球的扁率引起轨道平面的进动去抵消它。选定合适的倾角，使轨道平面自西向东进动正好为1天左右，就抵消了轨道平面取向的改变，实现太阳同步轨道。,1,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；,3,太阳同步轨道卫星可以观测全球，尤其是可以观测两极地区；,2,利于资料的处理和使用；,太阳同步轨道的优点,太阳同步轨道的缺点,可以取得全球资料，但观测间隔长，对某一地区，一颗卫星在红外波段取得两 次资料； 观测次数少，不利于分析变化快，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。,（

9、2）、地球同步卫星轨道 地球同步卫星轨道是卫星轨道的倾角等于0，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转周期(23小时56分04秒)，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地 方不动似的，所以又叫做静止卫星轨道。这样的卫星称静止卫星。,近极地太阳同步和地球静止轨道的示意图,FY-2卫星图片,静止卫星的高度可以根据开普勒第三定律算得：,（2.59）,1)、 地球同步轨道的实现 A 、实现理想的静止卫星轨道必须满足下述条件： 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0，即赤道平面与轨道平面完全重

10、合， 轨道偏心率e为0，即轨道是圆形的， 周期为23小时56分04秒。,B、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0，常有1的倾角；若不考虑其它因素，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，使得每天的星下点轨迹在赤道两侧呈“8”字形摆动。,根据（2.11）式可以求得静止卫星在轨道上运行的速度：,2）、 静

11、止卫星轨道的有效利用 地球同步卫星轨道是赤道上空约35860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。例如对于3间隔的卫星，波束宽度应小于205，若每隔3放置一颗静止卫星，绕地球一圈可放120颗静止卫星，则两个相邻卫星的圆周弧距为 ： S=2（R+H）/120=2210.04(km) 静

12、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，这就涉及到如何合理地、有效地使用静止卫星轨道。,3）、卫星食 卫星食：当太阳、月亮和地球依次排列在一条直线上时，太阳被月亮挡住，就出现日食；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，就发生月食。 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，人造卫星进入地球阴影区，就出现卫星食。 太阳同步轨道卫星也出现卫星食。卫星食的时间长短，决定于卫星高度和卫星经过各地的地方时时间。,日环食,月食,静止卫星食示意图,4）太阳干扰： 当太阳

13、、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。在卫星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。,“日凌中断通信”现象,高度高， 视野广,一个卫星可对南北70S-70N，东西140个经度，约占地球表面13约1.7亿平方公里进行观测；,连续观测,约半小时提供一张全景圆面图，特殊需要时，3-5分钟对某小区域进行一次观测；,云系演变,特别是生命短，变化快的中小尺度天气系统。如果把间隔为5分钟的图片连接成电影环，可以连续观察天气云

14、系的演变 。,静止卫星的优点,静止卫星的缺点,它不能观测南北极区。 由于其离地球很远，若要得到清楚图片，对仪器的要求很高。 卫星轨道有限。,垂直上升,转弯飞行,自由飞行,卫星入轨,此段，火箭很大很重及空气密度大 ，大气的阻力也大，所以火箭垂直缓慢穿过大气层，仅几秒时间；,火箭垂直穿过稠密大气层后，制导系统控制下转弯进入转弯飞行段，将火箭引向预定轨道；,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，以节省燃料；,火箭达预定高度、速度，点燃第三 级火箭，到卫星轨道应具有高 度、速度和方向，卫星与火箭分离，进入轨道。,2.3 、气象卫星的发射 1 卫星的发射和入轨过程 人造卫星是火箭技术迅

15、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发射台，第一级火箭级燃料烧尽时，将壳体分离抛弃，得速度V1；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V2；接着第三级点火，速度增量为V3，最终速度为V 1十V2十V3。,卫星发射过程,2、 静止轨道卫星的发射 静止卫星轨道是离地面高度约35860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，先由火箭把卫星发射到 180-250公里的低高度轨道上，称暂定轨道或初始轨道。 当运行到与赤道平面相交处， 点燃火箭，使卫星进入远地点高度为35860公里的偏心率很大的椭圆

16、轨道，叫转移轨道。 当卫星沿转移轨道运行几圈后，到达远地点赤道上空时，点燃远地点发动机使卫星获得速度增量，偏离椭圆轨道。卫星切线速度Vo轨=3.07千米秒时，卫星便进入接近预定的圆形轨道， 称为漂移轨道，也叫近静止轨道，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。,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，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测仪器。 1、卫星的姿态 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