1、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）cos11cos12eeaePrr，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
2、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222hrdtdA卫星的活力公式：卫星的活力公式：)12(2arv远地点远地点近地点近地点 卫星轨道周期的平方与轨道的半长轴的立方成正比；（谐和定律）即:423Ta32aT eGM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
3、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：rmvrGMm22HRrGMvc其中其中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Vc7.912km/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
4、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，
5、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。cvv22
6、ccpvvvc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
7、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
8、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
9、转到轨道在升段时，从赤道平面反时针旋转到轨道平面计算（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
10、卫星轨道、资料定位等许多工作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
11、参数坐标中的参数(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，地球不停地自西：由于卫
12、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、卫星轨道的摄动、卫星轨道的摄动l地球形状非
13、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，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
14、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）
15、、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
16、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0-900-9
17、0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
18、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
19、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星轨道。这种轨道上的卫星称为。这种轨道上的卫星称为静止卫星静止卫星。静止卫星的轨道参数：静止卫星的轨道参数：地球静止卫星轨道的实现：地球静止卫星轨道的实现：地球静止卫星
20、轨道的优缺点：地球静止卫星轨道的优缺点：全球卫星观测系统全球卫星观测系统 气象卫星姿态的稳定性气象卫星姿态的稳定性 1 1、卫星的姿态、卫星的姿态 轨道上卫星的纵轴在空间相对于轨道平面、地球表面和任何固轨道上卫星的纵轴在空间相对于轨道平面、地球表面和任何固定坐标系的取向。它决定着卫星观测仪器对准地球表面的形式定坐标系的取向。它决定着卫星观测仪器对准地球表面的形式 2 2、卫星姿态不稳定对观测资料的影响：、卫星姿态不稳定对观测资料的影响：对图片定位的影响：对图片定位的影响：对测量云迹风的影响：对测量云迹风的影响：3 3、卫星姿态稳定的方式：、卫星姿态稳定的方式：1.1.自旋稳定：自旋稳定：2.2.三轴定向稳定：三轴定向稳定：3.3.重力梯度稳定重力梯度稳定气象卫星基本知识复习题：1、气象卫星的观测特点？2、什么是卫星的倾角？星下点？3、何谓前进轨道，后退轨道？4、什么叫近极地太阳同步卫星？实现太阳同步的条件？5、什么是地球同步卫星？高度和运行周期？
