气象雷达与卫星遥感.doc

课程论文院、系 滨江学院 专业 电子信息工程姓名 秦艺郡 学号 20082305966 论文题目_气象雷达与卫星遥感_二一一 年 六 月 日南京信息工程大学气象雷达与卫星遥感论文 秦艺郡南京信息工程大学电子信息工程系，南京 210044摘要 海洋动力环境卫星（HY-2）已列入国家航天发展计划之中，针对我国目前微波遥感器的发展状况和海洋事业的业务需求，本文提出发展我国海洋动力环境卫星的用户需求的设想，包括遥感器的配置与性能指标、卫星轨道与姿态和精密定轨需求等等。关键词：卫星发射 轨道摄动 海洋卫星遥感广义上来说，卫星遥感是指以人造卫星为传感器平台的观测活动，它包括对地观测（这是目前卫星遥感的主要内容）以及面向太空环境的观测活动，本课程主要涉及前者。如图太阳辐射穿过地球大气到达地面的过程中，一部分被大气分子、大气微粒（气溶胶）和云层吸收，一部分由于上述目标的反射返回大气上界，而到达地面的太阳辐射也由于地表的反射也有一部分返回大气上界。来自太阳的电磁辐射通常称为短波辐射。另外一方面，地球大气本身和地表也是一个丰富的长波辐射源（红外、微波），这些电磁辐射穿过地球大气一部分被大气吸收一部分到达大气上界能为卫星仪器所接收。由于大气成份和地球表面物理特性的多样性，电磁辐射与这些粒子相互作用机理远为复杂。这一方面增加了由电磁辐射推测地球目标的难度，同时也为卫星反演遥感地球目标物特征提供了可行性。在有些称为主动式遥感的方法里，卫星接收雷达发射并与地气系统相互作用的电磁辐射来探测地球目标属性。最早的卫星遥感从气象遥感开始，利用气象卫星对大气的状态和运动进行监测，目前，卫星遥感逐渐扩展到对地球陆地和海洋以致人类的生存环境的全面监测。卫星对地遥感目标主要包括：（a）大气：主要包括估计温度、湿度、云量、云高、云迹风、降水、大气成分和分布等。（b）陆地和海洋：陆地地貌、地表覆盖物以及海洋属性等；（c）环境监测与资源开发：利用卫星遥感的大范围、长周期特性，实现地球环境监测和地球资源调查。一、卫星发射将卫星从地面送到绕地的空间轨道的过程称为卫星发射。一般使用多极助推火箭来完成卫星发射任务，发射一般要经过以下几段：首先是垂直上升段，使得卫星脱离稠密的大气层，其次是转弯段，卫星在制导系统的控制下转弯，目的将火箭引向预定的轨道方向（转移轨道），并进入自由飞行阶段，此时火箭主要在惯性的作用下在转移轨道上飞行。最后，当卫星在转移轨道上面达到预定的高度和速度时候，卫星上的助推火箭再次点火，最后到达预定轨道应该具有的高度、速度和方向时，星箭分离，卫星入轨。关于卫星发射的具体细节，请参考有关资料。二、卫星轨道参数通常使用天球坐标和地理坐标系来描述卫星在空间的位置和运行规律。天球坐标系：地心为中心，天赤道为基本圈，春分点为原点。天球上面任一点用赤经和赤纬表示。赤经以春分点为起点，反时针方向量度，范围0-360度。赤纬以天赤道为0度，向南北两极为90。天球坐标系不随地球自转而变。在天球坐标系内，描述轨道参数如下：a 倾角i：轨道平面与赤道平面的夹角，度量以轨道的上升段为准，从赤道平面反时针旋转到轨道平面的角度。b 升交点赤经W：卫星有南半球飞往北半球那一段称为轨道的上升段，由北半球飞往南半球的那一段称为下降段。卫星轨道的升段与赤道平面的交点称为升交点。轨道降段与赤道平面的交点称为降交点。升交点的位置用赤经W表示，它表示轨道平面的位置，也表示了轨道平面相对太阳的取向。c近地点角w：指轨道平面内升交点和近地点与地心连线的夹角，表示了轨道半长轴的取向。d 轨道半长轴：轨道半长轴决定了卫星轨道的周期。e 偏心率e：确定了卫星轨道的形状。地理坐标系中的轨道参数卫星地面接收站在计算卫星轨道，对资料定位时，大多使用地理坐标系。卫星的位置用地球上面的经纬度表示，这种坐标系经度以英国格林威治天文台的子午线为0，向东到180为东经，向西到180为西经，其纬度以赤道为0，至南北两极为90，赤道以南是南纬，赤道以北是北纬。A 星下点：卫星与地球中心连线在地球表面的交点成为星下点。由于卫星的运动和地球自转，星下点在地球表面形成了一条连续的轨迹（星下轨迹）。B 升交点和降交点：其意义与天球坐标系内一样，只是用地理坐标系中的经纬度表示。由于地理坐标系随地球自转而自转，但是卫星轨道不随地球自转而转动，所以每条卫星轨道的升交点和降交点是不同的。C 截距：由于卫星绕地球公转的同时，地球不停地自西向东旋转。所以卫星绕地球转一周后，地球相对卫星要转过一定的度数，这个度数称为截距。所以，截距是连续两次升交点之间的经度数。由于地球自转一周需要24小时，所以每小时转过15。如果把地球看成是不动的，则卫星轨道相对地球每小时向西偏移15。因而截距与周期的关系是：LT15/小时。利用截距也能由某条轨道的升交点经度预测下一条轨道升交点的经度，ln+1lnL,西经取“”，东经取“”D 轨道数：卫星从发射到第一个升交点的轨道数规定为第零条，以后每过一个升交点，轨道数增加“1”。三、 轨道摄动作用在卫星上的力除l了地球引力外，还有其他各种力它们是地球的非球形引力，大气阻力，日、月和其他天体引力，太阳光压和电磁力等这些力叫摄动力(perturbation force)。摄动力和地球引力相比虽然很小，但仍然会使卫星偏离开普勒轨道。因此，摄动力为零时，6个轨道要素为常数，卫星运动轨道为开普勒轨道；摄动力不为零时，轨道要素是随时间变化的变量。为了使轨道保持在设计允许的范围内，必须对卫星施以外力（比如星上备有推力火箭）、克服摄动力实现轨道保持。有时候出于某种目的（比如尽可能延长卫星的使用寿命），需要对卫星运行轨道进行变更。同样这需要借助卫星上面配备的助推火箭来实现这一目的。四、世界海洋卫星的发射现状 世界海洋卫星包括：海洋水色卫星、海洋地形卫星和海洋环境卫星。海洋水色卫星是通过星上装载的遥感设备对海洋水色要素进行探测，为海洋生物资源开发利用、海洋污染监测与防治、海岸带资源开发和海洋科学研究等提供科学依据和基础数据。最具代表性的海洋水色卫星是1997年8月1日美国宇航局成功发射的专用海洋水色卫星海星，它标志着因水色遥感器沿海水色扫描仪在1986年停止运转而中断了10年的全球海洋水色遥感数据又得以继续，而且可以得到质量更高的海洋水色资料。美国计划自海星卫星发射开始，进行20年时序全球海洋水色遥感资料的连续积累。到目前为止，世界上已经发射的具有海洋水色遥感功能的卫星已有10多颗。 海洋地形卫星主要是通过卫星上装载的雷达高度计对海洋地形进行探测，它在地球物理、海洋大中尺度动力过程等学科研究上的科学价值以及海洋灾害预报和海底油气资源勘探开发方面的经济价值显而易见。最具代表性的是美国的测地卫星系列和托佩克斯/海神系列卫星。 自美国1978年发射世界上第一颗海洋卫星以来，前苏联、日本、法国、加拿大和印度等相继发射了一系列海洋卫星。这些卫星一般搭载有光学遥感器、主动式微波遥感器和被动式微波遥感器等多种海洋遥感有效载荷，可提供全天时、全天候海况的实时资料，如海表温度、海面风场、有效波高、流场、海面地形、海冰等多项海洋要素，对改进海况数值预报模式和提高中、长期海况预报准确率效果显著。五、 海洋遥感卫星探测的发展阶段海洋遥感卫星探测的发展大致可分为3个阶段：探索试验(19701978年)，这一阶段主要载人飞船搭载试验和利用气象卫星、陆地卫星探测海洋；试验研究阶段(19781985年)，该阶段美国发射了一颗海洋遥感卫星(SeaSart-4)和一颗雨云卫星(NI船US一7)，该卫星上载有海岸带水色扫描仪(CZCS)。这两颗都属于实验研究阶段；应用研究阶段(1985)，在这阶段世界上发射了许多颗海洋遥感卫星，如海洋地形遥感卫星GeoSat、GFo-1，海洋动力环境遥感卫星ERS-1、ERS-2、Radarsat，海洋水色遥感卫星SeaStar ROCSAT-1、KOMPSAT。除此以外，还在别的卫星上搭载海洋探测器。21探索试验阶段(1970-1978年)19601970年的10年是气象卫星大力发展时期，美国相继发射了TIROS系列、NI船US系列和ESSA系列等3个系列极轨气象卫星和ATS系列静止型气象卫星。进入70年代后气象卫星技术日益成熟，美国发射业务型极轨气象卫星NOAA系列卫星、DMSP系列卫星和静止气象卫星GOES系列卫星。此外，美国在70年代发射了3颗陆地资源卫星(Landsat系列)。海洋遥感研究者开始利用气象卫星和陆地资源卫星探测海洋，取得可喜成绩，认为卫星观测平台具有获得大量海洋信息的潜力。气象卫星和陆地卫星具有自身的特点，完全代替海洋卫星，主要有以下原因：气象卫星和陆地卫星的探测器是光学探测器，不能代替海洋动力环境卫星和海洋地形卫星，后者主要探测器是微波探测器；虽然气象卫星和陆地卫星与海洋水色卫星上的主要探测器都属于光学探测器，但相互之间不能代替，主要困难有：波段配置不同。海洋水色仪要求波段多而窄；灵敏度和精确度不同。因为海洋水色仪参数要求定量测量；观测方式不同，为使轨道两侧太阳辐射照度均匀，要求观测时间维持在正午。基于上述原因，继气象卫星NO从一1和陆地卫星Landsat-1分别于1970年12月和1972年7月发射以后，美国率先开始了海洋卫星的探索阶段。在1973年美国发射了4艘天空实验室(SKYLAB)系列载人飞船上面搭载了多台地球观测仪器，包括多波段扫描仪、红外光谱仪、多光谱相机、地球地形相机以及微波散射计、雷达高度计、微波辐射计等。在一系列试验基础上，针对不同研究方向，美国还陆续发射了Geo一3卫星、Seasat-A卫星和NIIdBUS-7卫星。我过也相继发射了“风云一号”和“风云二号”系列气象卫星，为探测台风、海水温度变化取得了很好的效果。22实验研究阶段(19781985年)这一阶段美国发射了2颗卫星，即海洋卫星Seasat(1978、6)和雨云卫星NIMBUS一7(1978、10)。221海洋卫星Seasat海洋卫星Seasat是一颗海洋动力环境卫星，星上装载了5台探测器：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(S眦R)：可见光红外辐射计(VIRR)。主要探测对象：海面风场、浪场、流场、海温、极区海冰、海平面高度、水陆分界等，此外，SAR和SMMR还可用于陆地探测。222雨云卫星NIMBUS一7NIMBUS-7是一颗气象科学卫星，星上装载了9台遥感器，其中用于海洋探测的有2台：海岸带水色扫描仪(CZCS)和多波段微波辐射计(S删R)。主要探测对象：海水叶绿素、悬浮泥沙、有色可溶有机物、海水污染、水质、海面温度、海冰等。1 海洋环境监测与预报海洋环境监测特别是风暴潮和强台风的监测和预报急需卫星散射计提供海面实时风场资料，海浪灾害需要高度计测量的有效波高和海面风场资料积累，海冰灾害监测也需要高度计提供的海面和海冰高度资料。灾害性海况监测与预报，需要获得实时的海上风场、海面波浪场以及海面温度等监测数据，这些监测必须是全天时、全天候的，要求覆盖面广、观测周期短、精度高。所以急需发射以微波遥感器为主的海洋动力环境卫星，它能穿透云层全天时监测海洋。海面风应力是引起海浪、大洋环流等海洋环境过程的主要驱动力之一。长期、连续、系统的风应力观测资料，对大气和海洋环境数值预报产品将有明显的提高；有效波高的观测弥补了波浪场观测资料的不足，会大大改善海浪预报的精度；高精度的海温资料，对海气间通量交换、海气相互作用、大气环流和大洋环流动力学的确定有很大的提高。在大气和海洋环境的数值预报中，利用海洋动力环境卫星监测的资料进行四维同化处理，会使预报产品质量得到明显的提高。目前的预报系统由于没有实时资料来源，为了提高我国海洋环境的预报能力和精度，急需我国发射海洋动力环境卫星为海洋环境预报提供海洋动力参数。2 海洋调查与资源开发 大面积高精度的海表温度调查、大洋甚至全球风场的风矢量场分布调查、海洋动力要素（流、浪、潮）观测和海岸带调查（沿岸流、沿岸泥沙输运、滩涂植被和海岸带动态变化）等都需要海洋动力环境参数的全天时、全天候资料，也急需发射海洋动力环境卫星。3 海洋污染监测与保护海洋动力环境卫星资料可以提供我国近海海流，进而可以确定