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1、卫星气象学全册配套卫星气象学全册配套 最完整精品课件最完整精品课件2 卫星气象学 第一章 绪论 卫星观测不仅是气象观测的重要组成部分，而且是未来地球信息观测的主流。卫星观测不仅是气象观测的重要组成部分，而且是未来地球信息观测的主流。 本章主要内容：本章主要内容： 1、卫星气象学与卫星遥感、卫星气象学与卫星遥感 2、卫星资料在大气科学和其它领域中、卫星资料在大气科学和其它领域中 的应用的应用 3、气象卫星种类及其发展概况、气象卫星种类及其发展概况 第第1节节 卫星气象学与卫星遥感卫星气象学与卫星遥感 一、气象卫星和卫星气象学一、气象卫星和卫星气象学 n气象卫星气象卫星-专门用于气象目的（气象要素

2、专门用于气象目的（气象要素 的探测）的卫星。的探测）的卫星。 n卫星气象学卫星气象学-指研究如何利用气象卫星探指研究如何利用气象卫星探 测各种气象要素，并将卫星探测资料应用测各种气象要素，并将卫星探测资料应用 到大气科学的一门学科。到大气科学的一门学科。 卫星气象学的主要内容卫星气象学的主要内容 1、研究大气目标物（各类吸收气体）、云和地表等研究大气目标物（各类吸收气体）、云和地表等 的辐射光谱特性及电磁辐射在大气中的传输规律；的辐射光谱特性及电磁辐射在大气中的传输规律； 2、寻找从卫星探测获取大气中主要气象要素和大气、寻找从卫星探测获取大气中主要气象要素和大气 现象的理论和方法。包括最佳光谱

3、段选取的研究，传现象的理论和方法。包括最佳光谱段选取的研究，传 感器的设计研究，以及气象卫星资料反演方法的研究；感器的设计研究，以及气象卫星资料反演方法的研究； 3、气象卫星资料的接收、处理和存贮、质量控制；、气象卫星资料的接收、处理和存贮、质量控制； 4、气象卫星资料在天气预报、大气科学研究中的应、气象卫星资料在天气预报、大气科学研究中的应 用，以及在其它有关领域中的应用（如监测森林大火用，以及在其它有关领域中的应用（如监测森林大火 等）。等）。 二、气象卫星遥感二、气象卫星遥感 n遥感遥感：在一定距离之外，不直接接触被测物体：在一定距离之外，不直接接触被测物体 和有关物理现象，通过探测仪器

4、接收来自被测和有关物理现象，通过探测仪器接收来自被测 物体反射或发射的电磁辐射信息，并对其进行物体反射或发射的电磁辐射信息，并对其进行 处理、分类和识别的一种技术。处理、分类和识别的一种技术。 n传感器传感器：收集电磁辐射信息的装置（如扫描辐：收集电磁辐射信息的装置（如扫描辐 射仪、相机等）射仪、相机等） n遥感的遥感的分类分类： 1、按工作方式分主动遥感和被动遥感： 主动遥感主动遥感：仪器接收由仪器本身发射经被测物 体反射、散射回来的电磁辐射，再根据接收的 电磁辐射特征来识别和推断目标物的特性（人 工源遥感）； 被动遥感被动遥感：测量目标物发射的电磁辐射或反射 自然源（如太阳辐射）发射的电磁

5、辐射来识别 目标物特征（自然源遥感）。 n遥感的分类：遥感的分类： 2、按探测器的电磁波谱段分为紫外遥感、 可见光遥感、红外遥感和微波遥感等； 3、按探测信息形式可分为图像方式和非 图像方式。 气象卫星遥感气象卫星遥感 卫星遥感：卫星遥感： n气象卫星遥感气象卫星遥感： 利用气象卫星对大气进行遥感探测。利用气象卫星对大气进行遥感探测。 卫星遥感技术包括卫星遥感技术包括： 1、遥感信息的获取方法的研究（与传感器有关）；遥感信息的获取方法的研究（与传感器有关）； 2、各类目标物的光谱特性和遥感信息传输规律的研各类目标物的光谱特性和遥感信息传输规律的研 究；究； 3、遥感数据的处理和分析技术的研究。

6、、遥感数据的处理和分析技术的研究。 三三 、气象卫星的观测特点、气象卫星的观测特点 1、实现全球和大范围观测；实现全球和大范围观测； 2 2、在空间自上而下观测；、在空间自上而下观测； 3 3、采用遥感探测方式；、采用遥感探测方式； 卫星观测方法优势卫星观测方法优势: 空间覆盖优势空间覆盖优势 n极轨气象卫星在约极轨气象卫星在约900km的高空对地观测，一条轨道的高空对地观测，一条轨道 的扫描宽度就可达的扫描宽度就可达3000km，每天都可以得到覆盖全球，每天都可以得到覆盖全球 的资料；的资料； n地球静止卫星在地球静止卫星在36万公里的高空观测地球，一颗静万公里的高空观测地球，一颗静 止卫星

7、的观测面积就可达止卫星的观测面积就可达1亿亿7千万平方公里，约为地千万平方公里，约为地 球表面的球表面的13； n卫星的大范围观测，使人类第一次获得几乎无常规观卫星的大范围观测，使人类第一次获得几乎无常规观 测的大范围海洋、两极和沙漠地区的资料；测的大范围海洋、两极和沙漠地区的资料； n目前已经可以通过卫星观测系统，获取全球或任何感目前已经可以通过卫星观测系统，获取全球或任何感 兴趣区域的空间连续的高分辨率气象和环境资料，不兴趣区域的空间连续的高分辨率气象和环境资料，不 受国界限制受国界限制 极轨气象卫星具有全球观测能力极轨气象卫星具有全球观测能力 14条轨道合成的全球图像条轨道合成的全球图像

8、 三颗静止卫星即三颗静止卫星即 可获取覆盖全球可获取覆盖全球 的观测资料的观测资料 卫星观测方法优势卫星观测方法优势: 时间取样优势时间取样优势 n气象卫星观测可以大大地改善资料的时间取样气象卫星观测可以大大地改善资料的时间取样 频次。特别是静止气象卫星双星可获得每频次。特别是静止气象卫星双星可获得每15分分 钟一次的大范围实时资料，非常有利于对灾害钟一次的大范围实时资料，非常有利于对灾害 性天气进行动态监测；性天气进行动态监测； n双星组网的极轨气象卫星也可以每天提供双星组网的极轨气象卫星也可以每天提供4次全次全 球覆盖的图象资料和垂直探测资料。而常规高球覆盖的图象资料和垂直探测资料。而常规

9、高 空站每天只在空站每天只在00时时12时（世界时）进行两次观时（世界时）进行两次观 测，且无法观测海洋和无人地区。测，且无法观测海洋和无人地区。 卫星观测方法优势卫星观测方法优势 资料一致性优势资料一致性优势 n与地面和高空常规观测相比，卫星资料具有内在的均与地面和高空常规观测相比，卫星资料具有内在的均 一性和好的代表性；一性和好的代表性； n尽管世界气象组织（尽管世界气象组织（WMO）已经颁布了一系列规范，）已经颁布了一系列规范， 来统一常规观测仪器的性能和观测方法，但仍不能避来统一常规观测仪器的性能和观测方法，但仍不能避 免不同国家和地区、使用不同仪器和方法获得的资料免不同国家和地区、使

10、用不同仪器和方法获得的资料 的不一致性；的不一致性； n站分布的不均匀等使资料的不确定性增加站分布的不均匀等使资料的不确定性增加(点点)； n气象卫星是在气象卫星是在较长一段时期较长一段时期内使用内使用同一仪器同一仪器对全球进对全球进 行观测，资料的相对可比较性强、分布均匀一致性好。行观测，资料的相对可比较性强、分布均匀一致性好。 卫星资料则是对一定视场面积内的取样平均值，具有卫星资料则是对一定视场面积内的取样平均值，具有 较好的区域代表性较好的区域代表性(面面)。 卫星观测方法优势卫星观测方法优势: 综合参数观测优势综合参数观测优势 n气象卫星从大气层外这个新视角观测地球气象卫星从大气层外这

11、个新视角观测地球大气系统。大气系统。 有些重要的气候变量，特别是通过整个垂直方向大有些重要的气候变量，特别是通过整个垂直方向大 气层的积分参数，如地气系统的反照率、大气顶的气层的积分参数，如地气系统的反照率、大气顶的 地气系统射出长波辐射，只能通过气象卫星观测获地气系统射出长波辐射，只能通过气象卫星观测获 得；得； n目前已成功地从气象卫星观测资料中导出了全球大目前已成功地从气象卫星观测资料中导出了全球大 气温度和湿度廓线、辐射平衡、海陆表面温度及云气温度和湿度廓线、辐射平衡、海陆表面温度及云 顶温度、风场、云参数、冰雪覆盖、云中液态水含顶温度、风场、云参数、冰雪覆盖、云中液态水含 量和降水量

12、、臭氧总量和廓线、陆地下垫面状态植量和降水量、臭氧总量和廓线、陆地下垫面状态植 被状况等诸多重要气候和环境参数，这是被状况等诸多重要气候和环境参数，这是任何其它任何其它 观测手段所不能观测的观测手段所不能观测的。这是一场观测方法的重要。这是一场观测方法的重要 变革。变革。 第第2节节 卫星资料在大气科学和其它领域的应用卫星资料在大气科学和其它领域的应用 一、在大气科学领域中的应用 n1、卫星资料是日常天气分析预报的重要依据。 n2、监视暴雨、强雷暴等灾害性天气系统 n3、监视热带洋面上的低压、台风等天气系统 n4、改进中长期天气预报 n5、为数值天气预报提供资料 n6、在气候研究方面的应用 1

13、05E赤道上空 每半小时测得一 幅全圆盘图像 台风监测台风监测 贵州望谟、罗甸大暴雨卫星云图分析贵州望谟、罗甸大暴雨卫星云图分析 干旱监测干旱监测 干旱监测干旱监测 渤海、黄海西北部以及山东半岛南部海域有大雾覆盖，部分雾区上空有云覆盖。卫星监测到的 海上大雾影响面积约为10.8万平方公里响。 监测显示，湖南中部、江西西北部和东北部、安徽南部有大雾覆监测显示，湖南中部、江西西北部和东北部、安徽南部有大雾覆 盖，部分地区的雾区上空有低云遮挡盖，部分地区的雾区上空有低云遮挡,大雾影响面积约为大雾影响面积约为2.4万平万平 方公里方公里 在河南、安徽和山东三省交界地区出现了轻到大雾（包括雾凇）天气，其

14、中部分雾区被云覆盖。 经估算雾区面积大约有2.1万平方公里。雾区给当地的交通带来不同程度的影响。 强沙尘暴监测 2001.4.7. 气象卫星监测到新疆南部塔里木盆地出现了沙尘天气。受冷空气影响，塔里 木盆地东部发生沙尘天气，沙尘在偏东大风的输送下自罗布泊向西南方向扩散。 由于沙尘强度较弱，且发生在荒漠地区，其造成的影响有限。 2005年2月15日16：41分（北京时间）气象卫星NOAA-16在飞跃南亚上空时，观测到在巴 基斯坦、印度边境地区大范围的沙尘天气。在地面西风的作用下，两国边境地区的荒漠地区发 生严重的沙尘天气，黄色的沙尘与周围覆盖有绿色植被的地区形成强烈反差。随风向，沙尘向 下游地区

15、扩散，印度境内受到的影响相对较大。 灰霾的扩散过程监测灰霾的扩散过程监测(03(03年年1212月月22-2522-25日日 ) ) 气溶胶监测气溶胶监测 卫星监测海面温度 二、在其它领域的应用二、在其它领域的应用 1、为农业提供气象资料；为农业提供气象资料； 2、 监视森林大火、地表热异常；监视森林大火、地表热异常； 3、卫星资料在水文方面的应用；卫星资料在水文方面的应用； 4、为海洋活动提供气象资料；为海洋活动提供气象资料； 5、为航空提供飞行保障；为航空提供飞行保障； 6、为军事提供气象服务；为军事提供气象服务； 7、空间环境监视、空间环境监视 风云一号监测中国及周边地区植被风云一号监测

16、中国及周边地区植被 植被监测植被监测 用用TMTM卫星资料制作的广州植被指数图卫星资料制作的广州植被指数图 2003年年5月月19日大兴安岭森林火灾卫星监测图像，为火日大兴安岭森林火灾卫星监测图像，为火 灾扑救提供了及时准确信息灾扑救提供了及时准确信息 地 理 信 息 系 统 准 确 定 位 火 点 20032003年年7 7月月7 7日中国淮河流域洪涝监测图日中国淮河流域洪涝监测图 卫星遥感中国气候生态资源调查图集 64个图幅；250米分辨率 Natural ; q中、小尺度天气预报和研究，在目前常规探中、小尺度天气预报和研究，在目前常规探 测资料较密集的地区，时空密度也严重不足测资料较密集

17、的地区，时空密度也严重不足; ; q特种观测资料（大气化学观测，如大气臭氧、特种观测资料（大气化学观测，如大气臭氧、 二氧化硫等）严重缺乏。二氧化硫等）严重缺乏。 可能的解决办法可能的解决办法 n气象卫星全球大气探测，是最终解决全球数值气象卫星全球大气探测，是最终解决全球数值 天气预报和气候预测问题的关键天气预报和气候预测问题的关键 nTOVSTOVS资料在世界各国取得了很好的应用效果，资料在世界各国取得了很好的应用效果， ATOVSATOVS在数值天气预报中的应用将在未来几年在数值天气预报中的应用将在未来几年 取得较大进展；取得较大进展； n现在是卫星大气探测重要发展阶段现在是卫星大气探测重

18、要发展阶段 WMO对未来对未来20年气象业务的要求年气象业务的要求: 如果有足够的卫星观测系统和地基观测能力，如果有足够的卫星观测系统和地基观测能力， 利用数值模式，则可以：利用数值模式，则可以： n对很具破坏性的天气事件提前对很具破坏性的天气事件提前30分钟作出预警分钟作出预警 n对对5天台风路径预报精度达到天台风路径预报精度达到30 km n开展开展10-14 天天气预报天天气预报 n预测未来预测未来12个月的区域降水个月的区域降水 n预测预测15-20 个月厄尔尼诺事件个月厄尔尼诺事件 n进行进行10年尺度的气候预测年尺度的气候预测 n高稳定、高质量、长寿命高稳定、高质量、长寿命 n灾害

19、性天气监测灾害性天气监测 n连续天气监测连续天气监测 n数值模式天气预报数值模式天气预报 n气候系统气候系统/ /地球系统观测地球系统观测 n空间天气监测空间天气监测 n 未来十年到二十年，我国气象卫星无论在 质量和规模上都必须有长足的发展 我国气象卫星发展历程和现状我国气象卫星发展历程和现状 nFY-1系列极轨气象卫星系列极轨气象卫星: n1988年年9月月7日日 FY-1A星发射星发射(试验星试验星) n1990年年9月月3日日 FY-1B星发射星发射(试验星试验星) n1999年年5月月10日日 FY-1C星发射星发射(业务星业务星) n2002年年5月月15日日 FY-1D星发射星发射

20、(业务星业务星) n2008年年5月月15日日 FY-3A星发射星发射 n2010年年11月月5日日 FY-3B星发射星发射 n2013年年9月月23日日 FY-3C星发射星发射 nFY-2系列静止气象卫星系列静止气象卫星: n1997年年6月月10日日 FY-2A星发射星发射(试验星试验星) n2000年年6月月25日日 FY-2B星发射星发射(试验星试验星) n2004年年10月月19日日 FY-2C星发射星发射(业务星业务星) n2006年年12月月8日日 FY-2D星发射星发射(业务星业务星) n2008年年12月月23日日 FY-2E (123.5E) n2012年年1月月13日日

21、FY-2F (112E) （目前在轨备份） n2014年12月31日 FY-2G (99.5E) FY-1A和和FY-1B的状况的状况 n FY-1A可见光通道图像质量良好，信噪比高于设计要求。 尽管由于卫星姿态失去控制使这颗星只工作了39天，水 汽对红外探测器的污染问题，造成红外通道信号衰减。 但在FY-1A飞行期间，卫星以及载荷的工作情况和卫星 子系统都得到了检验。 nFY-1B质量较FY-1A都了实质性提高，反映在卫星姿态 控制和扫描辐射仪的防水汽污染方面。这颗星持续观测 约半年后，姿态控制再次出现问题，经过地面指令系统 的挽救，卫星间断工作到1992年末。 nFY-1A/B为FY-1C

22、/D业务卫星的发展奠定了技术基础 风云一号C/D(业务卫星) nFY-1C 于1999年5月10日发射， 设计寿命3年，创造几个第一 （被世界卫星组织认可、达到 并超过寿命、第一颗业务星、 2007.1.17日炸成碎片） nFY-1D于2005年5月15日在太 原卫星发射中心用长征四号B 火箭发射升空，目前一切正常。 我国风云一号我国风云一号C星的星的 第一幅云图第一幅云图 腾飞的中国龙腾飞的中国龙 FY-2号系列研制情况 n我国于80年代后期开始研制地球静止 气象卫星FY-2号系列。在1989年向国 际电联申请了下列三个风云二号轨道 位置： q业务星位置：105E（fy-2d）； q备份星位

23、置：86.5E(fy-2c)； q功能测试星位置：123. 5E FY-2号卫星发射情况 1994年4月2日，我国原定用长征3号火箭在西昌卫星发射中心 发射的第一颗静止气象卫星，由于卫星在技术测试过程 中发生意外。其后，我国分别于1997年6月10日、2000年6月25日、 2004年10月19日和2006年12月8日利用长征3号火箭从西昌卫星基 地发射了四颗地球静止气象卫星：风云二号A、B、C、D气象卫星。 目前FY-2A、FY-2B两颗试验星已经退役。 FY-2D定点于105E赤道上空。在FY-2D发射之前，已将FY-2C 移动并定点于86.5E，用于测试和备份。 和FY-1系列气象卫星一

24、样，FY-2卫星数据已被广大用户使用。 从图中可以从图中可以 看出，前几天看出，前几天 影响我国的强影响我国的强 冷锋云系已移冷锋云系已移 出我国，在中出我国，在中 蒙边境地区又蒙边境地区又 有新的弱锋面有新的弱锋面 云系东移。云系东移。 在中国区域在中国区域 图像中，西南图像中，西南 大片的中低云大片的中低云 区和北方的积区和北方的积 雪（图中青灰雪（图中青灰 色区域）都清色区域）都清 晰可见。晰可见。 同时拥有极同时拥有极 轨和静止气象轨和静止气象 卫星卫星 是是WMOWMO全球全球 观测网组成部观测网组成部 分分 是全球地球是全球地球 综合观测系统综合观测系统 （GEOSSGEOSS）成

25、）成 员员 中国气象卫中国气象卫 星数据开放、星数据开放、 共享共享 中国第二代气象卫星中国第二代气象卫星 n静止气象卫星要向大范围、高时效、高分辨发 展 n极轨卫星向综合观测系统方向发展，实现对地 球系统的同步观测 n要形成星座观测能力 nFY-3 静止气象卫星静止气象卫星: n2008年年5月月27日日 实现全球、全天候、多光谱和三维定量遥感实现全球、全天候、多光谱和三维定量遥感 风 云 三 号 2008年5月27日11点02分发射升空 风云三号主要遥感仪器简介 红外大气探测器：以CT扫描方式测不同高度的地球大气的结构. 微波大气温度（湿度）探测器：可以弥补红外大气探测器在有云区域无 法探

26、测的不足; 和红外大气探测器结合共同获得全球全天候大气温度 和湿度探测； 微波成像仪：低频率通道可以在全天候条件下观测地球表面洪涝灾害区 域, 高频率通道可以在全天候条件下监测造成洪涝灾害的强对流区域, 为灾害性降水预报提供极有价值信息; 可以监测台风降水结构,对登 陆台风降水预报提供信息。 中分辨率成像光谱仪：20个光谱通道，有4个空间分辨率高达250米， 扫描宽度达2300公里，每天观测全球2次，可对地球和海洋表面特性， 云，辐射和气溶胶，以及辐射平衡等进行综合观测。从前所有卫星都 不能比拟的。 FY-3卫星的主要特点卫星的主要特点(1/3) （1） 具有大气探测能力具有大气探测能力 （2

27、）观测仪器多）观测仪器多(11种仪器种仪器) 可见光和红外扫描辐射计、红外分光计、微波可见光和红外扫描辐射计、红外分光计、微波 温度计、微波湿度计、微波成像仪、中分辨率温度计、微波湿度计、微波成像仪、中分辨率 光谱成像仪、紫外臭氧垂直探测仪、紫外臭氧光谱成像仪、紫外臭氧垂直探测仪、紫外臭氧 总量探测仪、地球辐射探测仪、太阳辐射监测总量探测仪、地球辐射探测仪、太阳辐射监测 仪、空间环境探测器仪、空间环境探测器(FY-1两种两种)。 （3）光谱范围广，探测通道多，空间分辨率高）光谱范围广，探测通道多，空间分辨率高 紫外、可见、红外、微波（紫外、可见、红外、微波（FY-1 仅可见和红仅可见和红 外）

28、外） 共共99个光谱通道（个光谱通道（FY-1有有10个可见和红外）个可见和红外） 250m分辨率分辨率(5个通道个通道) FY-3卫星的主要特点卫星的主要特点(2/3) FY-3卫星的主要特点（卫星的主要特点（3/3） 广州气象卫星地面站08年5月29日上午10时16分10秒 接收的风云三号01星的第一幅卫星云图 微波大气温度和湿度探测器微波大气温度和湿度探测器 臭氧总量探测仪臭氧总量探测仪 红外大气分光计红外大气分光计 可见光可见光/红外扫描辐射计红外扫描辐射计 2、风云三号、风云三号01批遥感仪器批遥感仪器(1/2) 微波成像仪微波成像仪 空间环境监测器空间环境监测器(图略图略) 太阳辐

29、照度监测仪太阳辐照度监测仪 中分辨率光谱成像仪中分辨率光谱成像仪 风云三号风云三号01批遥感仪器批遥感仪器(2/2) 地球辐射收支仪地球辐射收支仪 风云四号 风云四号是中国第二代静止气象卫星，三轴风云四号是中国第二代静止气象卫星，三轴 稳定姿态控制，多遥感仪器工作模式。预研稳定姿态控制，多遥感仪器工作模式。预研 工作已启动工作已启动 参照国际研制进度，卫星研制周期约需十年参照国际研制进度，卫星研制周期约需十年 为接替风云二号为接替风云二号02批业务气象卫星，风云四批业务气象卫星，风云四 号卫星研制也已启动号卫星研制也已启动 应用系统的作用和目标应用系统的作用和目标 l促进数值天气预报的发展促进

30、数值天气预报的发展 l提高我国灾害性天气系统的监测和临近预报水平提高我国灾害性天气系统的监测和临近预报水平 l促进短期气候预测业务的发展促进短期气候预测业务的发展 l增强对地球系统五大圈层的综合观测能力增强对地球系统五大圈层的综合观测能力 l促进气象科学的发展促进气象科学的发展 l通过改进气象服务对国民经济发展产生深远影响通过改进气象服务对国民经济发展产生深远影响 l通过对生态与环境变化的监测和预警服务对国民经通过对生态与环境变化的监测和预警服务对国民经 济发展产生深远影响济发展产生深远影响 总结和展望未来总结和展望未来 n目前我国已经成为国际气象卫星大家庭中的重目前我国已经成为国际气象卫星大

31、家庭中的重 要成员要成员; n我国风云气象卫星已逐步形成业务化实用阶段我国风云气象卫星已逐步形成业务化实用阶段; n我国气象卫星将有较大发展我国气象卫星将有较大发展, 与发达国家的差与发达国家的差 距将缩小距将缩小 n在业务和科研中应用我国气象卫星资料将达到在业务和科研中应用我国气象卫星资料将达到 一个新阶段一个新阶段 第二章第二章 卫星运动规律和卫星运动规律和 气象卫星轨道气象卫星轨道 本章主要内容：本章主要内容： 1、卫星轨道参数和轨道的摄动、卫星轨道参数和轨道的摄动 2、气象卫星轨道的分类、气象卫星轨道的分类 2.1 卫星轨道参数和轨道的摄动 1、 卫星运动的轨迹 将行星运动定律应用于人

32、造卫星（求解卫星运动方程）， 可得卫星运动的三个定律（开普勒三大定律）： 卫星的运动轨道是一圆锥截面（可以是圆、椭圆）， 地球位于椭圆的一个焦点上；（椭圆定律） cos1 1 cos1 2 e e a e P r r ，卫星矢径， e，偏心率，e=c/a ，a：半长轴，c：焦距 P，半通经 ：矢径与半长轴的夹角，称真近点角 )cos1 (erp 轨道形状轨道形状 卫星的矢径（卫星与地心的连线）在相等的时间内， 在地球周围扫过的面积相等； （面积定律） 常数 22 2 hr dt dA 卫星的活力公式：卫星的活力公式： ) 12 ( 2 ar v 远地点远地点近地点近地点 卫星轨道周期的平方与轨

33、道的半长轴的立方成正比； （谐和定律）即: 4 2 3 T a 3 2 a T e GM数：开普勒常数，轨道常 或者： 2、 卫星入轨的速度与轨道形状卫星入轨的速度与轨道形状 卫星的轨道形状可以是圆形或椭圆形。理论表明，卫星的轨道形状只取卫星的轨道形状可以是圆形或椭圆形。理论表明，卫星的轨道形状只取 决于火箭把卫星送入轨道的一瞬间的速度决于火箭把卫星送入轨道的一瞬间的速度-入轨速度。入轨速度。 1）圆轨道的条件和环绕速度）圆轨道的条件和环绕速度 当卫星的入轨速度使离心力等于地球引力时，则有：当卫星的入轨速度使离心力等于地球引力时，则有： r mv r GMm 2 2 HRr GM vc 其中其

34、中Vc是卫星在不同高度上作圆轨道运动所具有的速度，称环绕速度。是卫星在不同高度上作圆轨道运动所具有的速度，称环绕速度。 如卫星在地面附近水平发射，则以如卫星在地面附近水平发射，则以rR(地球半径地球半径)6370km代入式，则有代入式，则有 Vc7.912 km/s 这是卫星在地面入轨时所需要的最小速度，把它称为第一宇宙速度。这是卫星在地面入轨时所需要的最小速度，把它称为第一宇宙速度。 卫星在某高度做圆轨道运动时，除速度必须等于环绕速度外，而且要求入轨的卫星在某高度做圆轨道运动时，除速度必须等于环绕速度外，而且要求入轨的 方向必须与地面平行。如果卫星的速度大于或小于环绕速度，或入轨速度虽等于环

35、方向必须与地面平行。如果卫星的速度大于或小于环绕速度，或入轨速度虽等于环 绕速度入轨方向与地面有一定交角时，卫星将作椭圆运动。绕速度入轨方向与地面有一定交角时，卫星将作椭圆运动。 2)卫星做椭轨道运动所需的条件卫星做椭轨道运动所需的条件 如果卫星的入轨速度进一步加大，其离心力加大到足以使卫星脱离地球如果卫星的入轨速度进一步加大，其离心力加大到足以使卫星脱离地球 引力场，即引力场，即 ， 这时对速度的要求这时对速度的要求 可见当卫星速度达到可见当卫星速度达到V2 时，它就成为行星，轨道也不是椭圆形，而是抛物时，它就成为行星，轨道也不是椭圆形，而是抛物 线了。因此卫星作椭圆轨道运动的入轨速度条件线

36、了。因此卫星作椭圆轨道运动的入轨速度条件 ： 其中其中Cp称做抛物线速度，称做抛物线速度， 即即11.2km/s，这个速度称，这个速度称第二宇宙速度第二宇宙速度，又称逃，又称逃 逸速度。它是地面发射一颗行星所需的最小速度。逸速度。它是地面发射一颗行星所需的最小速度。 3) 如果卫星的离心力进一步增大到大于太阳引力，则卫星脱离太阳系进入如果卫星的离心力进一步增大到大于太阳引力，则卫星脱离太阳系进入 银河系，其速度为银河系，其速度为16.9km/s，这就是，这就是第三宇宙速度第三宇宙速度。 c vv2 2 ccp vvvc 椭圆 2 3、 卫星的轨道参数卫星的轨道参数 1）天球坐标系中的卫星轨道参

37、数）天球坐标系中的卫星轨道参数 为描述卫星在宇宙空间中的运动规律，通常采用天球坐标系描述卫星为描述卫星在宇宙空间中的运动规律，通常采用天球坐标系描述卫星 的运动。假想宇宙空间为一球，其两极与地球的极一致，但天球不随地的运动。假想宇宙空间为一球，其两极与地球的极一致，但天球不随地 球自转。在天球坐标球自转。在天球坐标(图图2.1)中，取天赤道中，取天赤道(地球赤道平面与天球相交地球赤道平面与天球相交)为基为基 本圈，地心为中心，春分点为原点。天球上任一点的位置用赤经本圈，地心为中心，春分点为原点。天球上任一点的位置用赤经 和赤和赤 纬纬表示，赤经以春分点为起点，反时针方向度量，以表示，赤经以春分

38、点为起点，反时针方向度量，以0360度表示；赤度表示；赤 纬以天赤道为纬以天赤道为0o，向南、向北至两极为，向南、向北至两极为90o在天球坐标系中，卫星的位置在天球坐标系中，卫星的位置 可以用以下几个参数可以用以下几个参数(图图22)描述：描述： 升交点赤经升交点赤经：卫星由南半球飞往北半球那一段轨道称卫星轨道的：卫星由南半球飞往北半球那一段轨道称卫星轨道的升升 段段；由北半球飞往南半球那一段卫星轨道称轨道的；由北半球飞往南半球那一段卫星轨道称轨道的降段降段。卫星绕地球飞。卫星绕地球飞 行一圈有半圈处在升段，另半圈处在降段。把轨道的升段与赤道平面的行一圈有半圈处在升段，另半圈处在降段。把轨道的

39、升段与赤道平面的 交点称交点称升交点升交点；轨道降段与赤道平面的交点称；轨道降段与赤道平面的交点称降交点降交点。升交点的位置用。升交点的位置用 赤经赤经表示，它表示了轨道平面的位置，也表示了轨道平面相对于太阳表示，它表示了轨道平面的位置，也表示了轨道平面相对于太阳 的取向。（图中的取向。（图中ON，也称节线，轨道平面与赤道平面的交线），也称节线，轨道平面与赤道平面的交线） 倾角倾角i：这是指卫星轨道平面与赤道平面：这是指卫星轨道平面与赤道平面 之间的夹角，单位度。其度量是当卫星处之间的夹角，单位度。其度量是当卫星处 在升段时，从赤道平面反时针旋转到轨道在升段时，从赤道平面反时针旋转到轨道 平面

40、计算（与升交点一起表示了轨道平面平面计算（与升交点一起表示了轨道平面 在空间中的方位。在空间中的方位。 偏心率偏心率e：指轨道的焦距与半长轴之比。指轨道的焦距与半长轴之比。 近地点角近地点角：指卫星在轨道平面：指卫星在轨道平面 内升交点与近地点之间的夹角，它内升交点与近地点之间的夹角，它 确定了轨道半长轴的方向。确定了轨道半长轴的方向。 半通经半通经p （和偏心率（和偏心率e 一起表示了椭圆轨道的大小）一起表示了椭圆轨道的大小） 2 2）、）、地理坐标中的轨道参数地理坐标中的轨道参数 在气象卫星地面接收处理、在气象卫星地面接收处理、 计算卫星轨道、资料定位等许计算卫星轨道、资料定位等许 多工作

41、中常采用地理坐标系。多工作中常采用地理坐标系。 卫星的位置用地球上的经、纬卫星的位置用地球上的经、纬 度表示，这种坐标系经度以通度表示，这种坐标系经度以通 过英国格林威治天文台的子午过英国格林威治天文台的子午 线为线为0 0o o，向东到，向东到180180 o o为东经、 为东经、 向西到向西到180180 o o为西经；纬度以赤 为西经；纬度以赤 道为道为0 0o o，至南北两极为，至南北两极为9090o o；赤；赤 道以南为南纬，以北为北纬。道以南为南纬，以北为北纬。 这种坐标固定在地球上随地球这种坐标固定在地球上随地球 一起转动。下面介绍几个地理一起转动。下面介绍几个地理 坐标中的参数

42、坐标中的参数( (图图2 24)4)： 星下点星下点：是指卫星与地球中心的连线在地球表面上的交：是指卫星与地球中心的连线在地球表面上的交 点，用地理坐标的经纬度表示。由于卫星运动和地球的自点，用地理坐标的经纬度表示。由于卫星运动和地球的自 转，星下点在地球表面形成一条连续的运动轨迹，这一轨转，星下点在地球表面形成一条连续的运动轨迹，这一轨 迹称为星下点轨迹；迹称为星下点轨迹； 星下点轨迹是卫星轨道运动星下点轨迹是卫星轨道运动 和地球自转运动的合成。和地球自转运动的合成。 升交点和降交点升交点和降交点：其定义与天球坐标中一样；：其定义与天球坐标中一样； 截距截距：由于卫星绕地球公转的同时，地球不

43、停地自西：由于卫星绕地球公转的同时，地球不停地自西 向东旋转，所以当卫星绕地球转一周后，地球相对卫星向东旋转，所以当卫星绕地球转一周后，地球相对卫星 转过的度数称之为截距。可见截距是两个升交点之间的转过的度数称之为截距。可见截距是两个升交点之间的 经度差。经度差。 轨道数轨道数：是指卫星从这一个升交点开始后到以后任何：是指卫星从这一个升交点开始后到以后任何 一个升交点环绕地球运行一圈的数目。从卫星入轨到第一个升交点环绕地球运行一圈的数目。从卫星入轨到第 一个升交点的轨道数为零条，以后每过一个升交点，轨一个升交点的轨道数为零条，以后每过一个升交点，轨 道数增加道数增加1 1。 4 4、卫星轨道的

44、摄动、卫星轨道的摄动 l 地球形状非球形和质量不均匀产生的附加引力地球形状非球形和质量不均匀产生的附加引力 l 高层大气的气动力高层大气的气动力 l 日、月引力日、月引力 l 太阳光辐射压力太阳光辐射压力 卫星的轨道参数随时间缓慢变化，和开普勒定律得出的卫星的轨道参数随时间缓慢变化，和开普勒定律得出的 轨道有偏离，叫做轨道有偏离，叫做卫星轨道的摄动。 1 1）、由于地球椭圆形状引起的摄动）、由于地球椭圆形状引起的摄动 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，使得卫星椭球体，赤道鼓起部分会给卫星轨道以摄动，

45、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旋的轨道平面绕地轴缓慢地转动，轨道平面的主轴也在旋 转。转。 当当i90o，轨道平面的进动方向自西向东，轨道平面的进动方向自西向东。 2 2）、空气阻力对卫星轨道的影响）、空气阻力对卫星轨道的影响 阻力大小与大气密度，卫星形状和运行速度等有关。阻力大小与大气密度，卫星形状和运行速度等有关。 当卫星的高度较低时，这种作用不能忽视。空气阻当卫星的高度较低时，这种作用不能忽视。空气阻 力使卫星的动能不断损耗，轨道日益缩小，偏心率力使卫星的动能不断损耗，轨道日益缩小，偏心率 减小，卫星高度下降，轨道形状逐渐接近正圆，最减小，卫星高度下降，轨道形状

46、逐渐接近正圆，最 后坠入稠密大气层而毁灭。后坠入稠密大气层而毁灭。 3 3）、太阳、月球引力对卫星轨道的影响）、太阳、月球引力对卫星轨道的影响 日月引力摄动因太阳和月亮对卫星引力加速度与对日月引力摄动因太阳和月亮对卫星引力加速度与对 地球的引力加速度之差而产生。地球的引力加速度之差而产生。 当卫星高度较高时，太阳和月球对其的引力就不可当卫星高度较高时，太阳和月球对其的引力就不可 忽视，如静止卫星高度，可超过地球扁率摄动，成忽视，如静止卫星高度，可超过地球扁率摄动，成 为主要的摄动因素。为主要的摄动因素。 4 4）、太阳光压摄动）、太阳光压摄动 阻绕地球运行的卫星受到太阳的直接辐射、地球阻绕地球

47、运行的卫星受到太阳的直接辐射、地球 反射的太阳辐射和地球发射出的辐射能量的作用反射的太阳辐射和地球发射出的辐射能量的作用 力大小与大气密度，卫星形状和运行速度等有关。力大小与大气密度，卫星形状和运行速度等有关。 2.2 气象卫星轨道气象卫星轨道 一、气象卫星轨道类型一、气象卫星轨道类型 1 1、按地面高度划分、按地面高度划分 （1 1）近地轨道（低轨）近地轨道（低轨） （2 2）中高轨道）中高轨道 （3 3）远地轨道（高轨）远地轨道（高轨） 2 2、按轨道形状划分、按轨道形状划分 （1）圆形轨道）圆形轨道 （2）近圆形轨道（小偏心率）近圆形轨道（小偏心率） （3）椭圆形轨道（大偏心率）椭圆形轨

48、道（大偏心率） 3 3、按轨道倾角分类、按轨道倾角分类 （1 1）前进轨道：倾角）前进轨道：倾角i i在在0-900-90度之间，卫星顺地球自转方度之间，卫星顺地球自转方 向运动。向运动。 （2 2）赤道轨道：倾角）赤道轨道：倾角i i为为0 0或或180180度，卫星在赤道上空向东度，卫星在赤道上空向东 或向西运行。或向西运行。 （3 3）后退轨道：倾角）后退轨道：倾角i i在在90-18090-180度之间，卫星逆地球自转度之间，卫星逆地球自转 方向运行。（可实现太阳同步卫星轨道）方向运行。（可实现太阳同步卫星轨道） （4 4）极地轨道：当卫星倾角为）极地轨道：当卫星倾角为9090度，卫星

49、通过南北两极。度，卫星通过南北两极。 卫星的倾角不同，观测范围也不卫星的倾角不同，观测范围也不 同。如果只对热带地区观测，可同。如果只对热带地区观测，可 以选择较小倾角的轨道；如果要以选择较小倾角的轨道；如果要 观测极地区域，则要取倾角较大观测极地区域，则要取倾角较大 的卫星轨道。的卫星轨道。 二、近极地太阳同步卫星轨道二、近极地太阳同步卫星轨道 太阳同步卫星轨道太阳同步卫星轨道：指卫星的轨道平面与太阳始终：指卫星的轨道平面与太阳始终 保持固定的取向，由于卫星的轨道倾角接近保持固定的取向，由于卫星的轨道倾角接近90度，度， 卫星几乎通过极地，故又称为卫星几乎通过极地，故又称为近极地太阳同步卫星

50、近极地太阳同步卫星 轨道轨道。简称。简称极地轨道极地轨道 太阳同步卫星轨道的实现：太阳同步卫星轨道的实现： 太阳同步卫星轨道的优缺点：太阳同步卫星轨道的优缺点： 三、地球静止卫星轨道三、地球静止卫星轨道 地球同步静止卫星轨道地球同步静止卫星轨道：卫星的倾角等于：卫星的倾角等于0，赤道平面，赤道平面 与轨道平面重合，则卫星在赤道上空运行；又若卫星的与轨道平面重合，则卫星在赤道上空运行；又若卫星的 周期正好等于地球自转周期，卫星公转方向与地球自转周期正好等于地球自转周期，卫星公转方向与地球自转 方向相同，则称之为方向相同，则称之为地球同步轨道地球同步轨道。又称为。又称为地球静止卫地球静止卫 星轨道