卫星气象学基本知识.ppt

第二章气象卫星基本知识 2 1气象卫星的轨道 2 2轨道参数和卫星轨道 2 3气象卫星的发射 2 4气象卫星系统 2 1气象卫星的轨道一 卫星运动三定律 第一 卫星运行的轨道是一圆锥截线 圆锥被一平面所截出的曲线 可以是圆 椭圆 抛物线 地球位于其中的一个焦点上 第二 卫星的向径 卫星与地心连线 在相等的时间内 在地球周围扫过的面积相等 第三 卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比 1 对于第一定律 卫星运动轨道是一圆锥截线 其表示式为 r P 1 ecos 式中e c a是偏心率 a是半长轴 C是焦距 P r 1 ecos 是半通径 是矢径r与半长轴a的夹角 可见偏心率是决定轨道形状的主要参数 当e 0时 c 0 P r a 卫星轨道是以地心为圆心的圆形轨道 当e 1时 卫星的运动轨道是以地心为一焦点的椭圆形轨道 其C 0 焦点与椭圆中心不重合 而半通径p a 1 e2 当e 1时 运动轨道是以地心为焦点的抛物线轨道 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e 1时 运动轨道是以地心为焦点的双曲线 c a 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 根据第二定律 有dA dt 1 2 r2 d dt 1 2 h 常数式中dA是半径在dt时间内扫过的面积 h是一常数 由上式得卫星的角速度为 r d dt 1 r h可见 卫星的角速度 大小 与r大小成反比 对于椭圆轨道 由于远地点r最大 因而卫星角速度最小 而近地点r最小 卫星角速度最大 故第二定律表达了卫星在轨道的角速度的大小 由理论力学可以求得卫星在椭圆轨道上的总能量为 W 总能量 1 2 mV2 动能 m r 势能 m 2a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 可得卫星在轨道的速度为 V2 2 r 1 a 称为卫星活力公式 可计算出卫星在轨道上任一点的速度 3 根据第三定律可确定卫星的周期 a T 4 或T 2 a 1 2可见卫星的周期仅决定于轨道的长半轴 2 按轨道偏心率可以分为圆形轨道和椭圆形卫星轨道 选择圆形轨道有许多优点 卫星在圆轨道上匀速运动 便于轨道的计算和预告 卫星观测得到的图片比例尺一致 便于资料的处理和使用 有利于仪器的工作和卫星姿态控制 3 按卫星轨道倾角 可将卫星轨道分为前进轨道和后退轨道 倾角在0一90 之间 称前进轨道或顺行轨道 倾角在90一180 之间 为后退轨道或逆行轨道 倾角等于零 称为赤道轨道 倾角等于90 时 称极地轨道 倾角不同 观测范围不同 对热带地区观测 选倾角较小的轨道 观测极区 应选倾角接近90 的轨道 4 按卫星高度将轨道分成三种类型 1 低高度 短寿命卫星轨道 卫星高度为150 200公里 寿命只有1 3周 大多为军事服务的侦察卫星所采用 2 中高度 长寿命卫星轨道 高度约为350 1500公里 寿命达一年以上 气象卫星 陆地和海洋卫星都用这种轨道 3 高高度 长寿命地球静止卫星轨道 轨道的高度约35800千米左右 受地心引力和大气阻力的影响很小 卫星的寿命很长 可以存在好几年 主要为气象卫星和通讯卫星所用 从气象观测要求气象卫星使用近极地太阳同步轨道和地球同步轨道两种轨道 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 卫星轨道的形状还取决于火箭将它送入轨道时一瞬间的速度 卫星环绕地球运行时 作用于它的有地心引力 有离心力 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使离心力等于地心引力式中Vc是卫星在圆轨道运动的速度 也是卫星入轨速度 该速度称做环绕速度 如果物体在地面附近发射 则以r R 地球半径 6370公里代入上式 并记这时的Vc为V1 便有V1 7 912千米 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 如果卫星速度大于或小于环绕速度 和入轨速度虽等于环绕速度 但入轨方向与地面有一定交角时 卫星将作椭圆运动 而不是圆轨道运动 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 则由活力公式得可见 当卫星达到2 Vc速度时 它就演变为行星 轨道也不是椭圆形 而是双曲线了 因此卫星作椭圆轨道运动所需的入轨速度应满足2 Vc V椭 Vc式中的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V2为第二宇宙速度 又称逃逸速度 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 l 倾角 卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角 2 高度 卫星轨道离地球表面的距离 3 周期 卫星沿其轨道运行一周所需的时间 4 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 显下点在地球表面形成一条连续的轨迹 这一轨迹称星下点轨迹 显下点常用经 纬度表示其位置 5 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 所以每条卫星轨道的升交点和降交点是不同的 6 截距 卫星运行一个周期地球赤道所转过的距离 由于在卫星绕地球公转的同时 地球不停地自转 卫星沿规定转一周需约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 2 气象卫星的轨道 1 近极地太阳同步卫星轨道所谓太阳同步轨道是指卫星的轨道平商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 有时简称极地轨道 近极地太阳同步轨道的示意图 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 0 985 天 1 天 也就使得卫星每天提早4分钟出现于同一观测点 为了使轨道平面相对于太阳始终有固定的取向 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 2 太阳同步轨道的优缺点太阳同步轨道的优点有 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 有利于资料的处理和使用 太阳同步轨道卫星可以观测全球 尤其可以观测两极地区 在观测时有合适的照明 可以得到充足的太阳能 太阳同步轨道的缺点是 可以取得全球资料 但观测间隔长 对某 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 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 卫星称静止卫星 1 地球同步轨道的实现理想的静止卫星轨道 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 实际的静止卫星轨道 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 静止卫星酌高度可以根据开普勒第三定律算得 2 静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2 0 5 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 卫星蚀和太阳干扰 卫星蚀 大家知道 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 就出现日蚀 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 就发生月蚀 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 就出现卫星蚀 如下图所示 静止卫星位于赤造平面内 所以静止卫星的卫星蚀蚀出现在春分和秋分前后的一段时间内 卫星星下点地区正好处于午夜时分 在春分和秋分这两天卫星蚀的时间最长 达72分钟之久 卫星蚀可连续出现45天 在卫星蚀出现期间 人造卫星上的太阳电池不能工作 所以用蓄电池供电 因此卫星必须带上大的蓄电池 才不会使卫星工作停止 有时供电不足时 仍要停止某些观测项目或作某些调 处在卫星蚀期间 因卫星中没有热量输入 卫星星体的温度下降 使得其体积收缩 以致自旋速率加大 太阳同步轨道卫星也出现卫星蚀 卫星蚀的时间长短 决定于卫星高度和卫星经过各地的地方时时间 太阳干扰 当太阳 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 在太阳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 4 静止卫星的优缺点静止卫星作为一个气象观测平台有许多优点 是卫星高度高 视野广阔 一个卫星可对南北70 S 70 N 东西140个经度 约占地球表面1 3约1 7亿平方公里进行观测 是可以对某一固定区域进行连续观测 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 是可以连续监视天气云系的演变 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系的演变 静止卫星的不足是 它不能观测南北极区 由于离地球很远 要得到清楚的图片 对仪器的要求很高 卫星轨道有限 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V1十V2十V3 卫星的发射过程分为如下几段 垂直上升段 此段 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 转弯飞行段 火箭垂直穿过稠密大气层后 火箭将向预定轨道飞行 自由飞行段 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 卫星入轨段 当火箭在自由飞行段到达预定高度和速度时 点燃第三级火箭 加速飞行 最后到达卫星轨道应具有的高度 速度和方向时 卫星与火箭分离 进入轨道 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 V 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 2 4气象卫星系统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 比例不一 不利于应用 为此必须对卫星的姿态作控制 1 自旋稳定 卫星围绕自身对称轴以一定角速度旋转 在没有空气阻力下 卫星的角动量守恒 自转轴方向始终不变 这种使卫星稳定下来的方式称自旋稳定 早期的泰罗斯卫星采用 平动式 自旋稳定 自旋轴在空间作平动 仪器装在卫星底部 卫星绕地球旋转时 只有部分时间取得资料 以后的艾萨和静止卫星采用 滚轮式 自旋稳定 自旋轴与轨道平面相垂直 仪器装在卫星侧面 当仪器转到朝向地面时进行观测 卫星能在整个周期内获得资料 2 三轴定向稳定 三砷定向稳定是卫星在三个方向上保持稳定 如图 三个轴是 a 俯仰轴 与轨道平面垂直 控制卫星上下摆动 b 横滚轴 平行于轨道平面 且与轨道方向相一致 控制卫星左右摆动 c 偏航轴 指向地球中心 控制卫星沿轨道方向运行 在卫星绕地球转动一圈中 轨道方向改变360 偏航轴与横滚轴的方向也要改变360 才能保持卫星姿态的稳定 3 重力梯度稳定 由于地球对一个物体的引力随高度而减小 所以地球重力场是不均匀的 有重力梯度 当卫星在重力场内运动时 因受重力梯度的作用 使卫星趋向一个平衡位置 由此实现重力梯度稳定 2 卫星在静止轨道上位置的控制由于地球引力的不均匀和太阳 月亮引力的作用 常使卫星漂移静止轨道 如不加控制 这种偏离会愈来