兰州大学《卫星气象学》-卫星运动规律和气象卫星轨道

1、卫星气象学电子版第一版第二章 卫星运动规律和气象卫星轨道2.1 气象卫星运动规律2.2 卫星轨道参数和轨道的摄动2.3 气象卫星轨道2.4 卫星的发射章节内容假定：(1)地球，理想球体、均质，质心在地心；(2)卫星质量地球质量，可忽略；(3)星-地的距离卫星本身尺度，质点；(4)忽略其它因素对卫星的作用力。 2.1 气象卫星运动规律2.1.1 卫星的运动方程卫星的受力：万有引力定律，以地心为原点的地球对卫星的引力表示为：式中F(r)表示吸引力， r是卫星的矢径，m是卫星质量开普勒常数万有引力常数地球质量式中 r是卫星的矢径，为幅角。在轨道面上的运动方程为： rv轨道地心开普勒运动三定律开普勒定

2、律是开普勒所发现、关于行星运动的定律。他于1609年在他出版的?新天文学?科学杂志上发表了关于行星运动的两条定律，又于1618年，发现了第三条定律。开普勒的三条行星运动定律改变了整个天文学，彻底摧毁了托勒密复杂的宇宙体系，完善并简化了哥白尼的日心说。约翰内斯开普勒 Johannes Kepler 1571-1630德国物理学家开普勒第一定律，也称椭圆定律、轨道定律： 每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳那么处在椭圆的一个焦点中。 对卫星而言，其运动轨道是一圆锥曲线圆或椭圆，地球位于其中一个焦点上。椭圆轨道圆轨道双曲线轨道抛物线轨道解方程组得 A， 为积分常数。如果，令p=h2/ ， e

3、=Ap偏心率 ，得圆锥曲线,力心位于焦点上。卫星轨道可以是圆锥曲线的一种当e=0，r p ，轨道为圆。当e1, 椭圆轨道，以地心为焦点, 焦点与椭圆中心不重合。e=c/a偏心率，a半长轴，c是焦距。p= a(1 - e2) 近地点矢径rp= a1- e 远地点矢径ra= a1+ e当e=1, 卫星脱离地球引力，抛物线轨道当e1, 卫星脱离太阳系引力，双曲线轨道 开普勒第二定律，也称等面积定律： 在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。用公式表示为： 对卫星的运动，在相等的时间内卫星的矢径在地球上空扫过的面积相等。卫星的矢径在相

4、等时间内扫过的面积相等即面积速度为常数角速度： = d/dt rv轨道地心=常数卫星在椭圆轨道上的总能量为： 卫星活力公式总能量动能势能椭圆轨道半长轴因此，卫星在轨道上的运行速度为 在椭圆轨道上在圆轨道上V近=(2/r近1/a)1/2=( /a)(1 +e)/(1 e) V远=(2/r远1/a)1/2 =( /a)(1 e)/(1+ e) V圆=/r圆1/2= /R+H 1/2卫星飞行速度换言之，卫星在地心引力下作圆周运动： GMm/r2向心力= mv2/r离心力 也有：v =GM/r1/2= /R+H 1/2角速度： = d/dt 由于面积速度为常数，所以： r小，大。在近地点p，r最小，

5、最大； r大，小。在远地点a，r最大， 最小。卫星在轨道上运行的角速度ap 开普勒第三定律，也称周期定律： 各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。由这一定律可以导出：行星与太阳之间的引力与半径的平方成反比。这是牛顿的万有引力定律的一个重要根底。公式表示为：卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。T2 = 42a3 / 卫星轨道周期：指卫星在轨道上运行一周的时间T2 = 42(R+H)3 / 譬如： FY-2, H=35860km, T=24小时1. 椭圆轨道2. 圆轨道2.1.2 卫星的入轨速度与轨道的形状 卫星的轨道

6、形状只取决于火箭把卫星送入轨道的瞬间速度入轨速度。卫星在地心引力下作圆周运动： GMm/r2= mv2/r 环绕速度环绕速度是指卫星在不同高度上做圆轨道运动所具有的速度。取r=R=6370km，有v=V1=7.912 km/s 第一宇宙速度这是卫星在地面入轨时所需的最小速度。此时卫星可在贴地面附近绕地球作圆轨道运动。 假设v 离心力而落向地面。 假设v V1，那么离心力向心力而脱离半径为6370km的圆轨道。一、卫星实现圆轨道运动的条件 当卫星飞行速度进一步增加，离心力加大到使卫星脱离地球引力场，即a，卫星就演变为太阳行星，而轨道成为抛物线形。由活力公式得：这是卫星要从地外表脱离地球引力场所需

7、要的速度，称第二宇宙速度逃逸速度。它是地面发射一颗行星所需要的最小速度。 因此，实现椭圆轨道的条件为： v1 v椭 90,实现 =-0.985/天 来抵消轨道面的相对运动，即可实现近极地太阳同步卫星轨道。如，,即可实现。 =10*COS(RADIANS(98.7)*(6370/(6370+830)3.5= -0.985 圆形轨道进动率： 10 cosi *(R/R+H i0,进动自东向西； i90, 0,进动自西向东.NS3近极地太阳同步卫星轨道的实现3、太阳同步轨道的特点优点：轨道为圆形，轨道预告、接收和资料定位方便；可实现包含极地的全球观测；在观测时有适宜的太阳照明，有利于资料处理和使用；

8、仪器可以得到充分的太阳能供给。缺点：对中低纬度同一地点观测的时间间隔太长相对于GEO)，不利对中小尺度天气系统的监测；相临两条轨道的观测资料时间差达100多分钟，拼图不利。4、卫星食和太阳干扰1静止卫星的卫星食太阳轨道地球卫星太阳轨道卫星地球a图2-12 静止卫星的蚀示意图2太阳干扰 如图2-12a太阳、卫星、地面卫星接收天线成一线时，地面卫星接收天线对着太阳，进入天线波束期间，受太阳射电噪声影响，接收电波受严重干扰，甚至收不到信号，这样的干扰称为太阳干扰。 20 10 0 10 2070605040302010每次卫星蚀时间/分钟从春（秋）分算起（b）2.3.4 其他轨道研究与开展which

9、 orbit between certain latitudes a few hundred km above the surface (lower Earth orbits)- Example: The TRMM orbit is circular and is at an altitude of 350 km and an inclination of 35 degrees to the Equator. TRMM flies over each position on the Earths surface at a different local time each day. So it

10、 is good for diurnal variation studies.现代卫星观测系统用于数值天气预报的卫星数据Quikscat ocean surface wind vectorsAVHRR SSTAVHRR vegetation fractionAVHRR surface typeMulti-satellite snow coverMulti-satellite sea iceSBUV/2 ozone profile and total ozoneAltimeter sea level observations (ocean data assimilation)AIRSMODIS

11、WindsCOSMICHIRS sounder radiancesAMSU-A sounder radiancesAMSU-B sounder radiancesGOES sounder radiancesGOES, Meteosat, GMS windsGOES precipitation rateSSM/I precipitation ratesTRMM precipitation ratesSSM/I ocean surface wind speedsERS-2 ocean surface wind vectors 极地轨道卫星的发射过程2.4 卫星的发射和卫星技术1垂直上升段 2转弯飞

12、行段3自由飞行段 4卫星入轨段 静止轨道卫星的发射过程1发射至低高度轨道暂定轨道或初始轨道2运行至与赤道面相交处，点燃近地点发动机，使卫星进入远地点高度为35860km的椭圆轨道转移轨道3运行至远地点赤道上空，点燃远地点发动机，使卫星获得速度增量，偏离椭圆轨道，进入预定圆形轨道飘逸轨道或近静止轨道，修正误差，进入静止卫星轨道 卫星技术参考教材现有的静止业务气象卫星发射国家过去新一代美国GOES-8GOES N-R主要功能 三轴稳定、5通道成像仪、100010002，40秒观测一次，红外垂直探测器10通道成像仪、干涉式红外线分光、太阳X射线成像仪、闪电 成像仪云图、云迹风、温、湿廓线、云参数、O

13、LR、SST云图、云迹风、高垂直分辨率T、 P、Q廓线、云参数、OLR、SST、地表特征、闪电分布欧洲气象卫星组织METEOSATMSG主要功能自旋稳定、3通道可见、红外成像仪自旋稳定、12通道可见、红外成像仪云图、云迹风、OLR、 SST、云参数云图、云迹风、OLR、SST云参数、地表特征2.5 气象卫星开展状况GOES 卫星地球同步环境卫星GOES-R卫星第三代METEOSAT 卫星MSG欧洲二代卫星发射国家过去现在日本GMSMTSAT主要功能自旋、4通道可见红外自旋扫描成像仪三轴稳定、5通道可见红外成像仪、航空管制云图、云迹风、OLR、SST、云参数、对流层中上部水汽量云图、云迹风、云参

14、数、OLR、SST、地表特征、闪电分布中国FY-2FY-2主要功能自旋、3通道可见红外成像仪自旋、5通道可见红外成像仪云图、云迹风、OLR、SST、云参数、对流层中上部水汽量云图、云迹风、OLR、SST云参数、对流层中上部水汽量、晴空水汽量现有的静止业务气象卫星GMS 卫星MTSAT(日本二代)卫星FY-2卫星发射国家现 状未 来 发 展 美国 NOAA-15-（第五代）NPOESS（军民合用）主要功能AVHRR-3、ATOVS可见红外线成像仪、微波成像仪、红外微波大气探测器、O3 成像廓线仪、GPS OS图像、SST、NDVI、云参数、冰雪、水体、高温热源、全天候T、P、Q廓线、O3图像、S

15、ST、NDVI和LAI、冰雪、水体、高温热源、云参数（粒径、相态、含水量）、土地利用、海洋水色、高垂直分辨率T、P、Q廓线、O3图像和廓线、电离层电子浓度、平流层中层的T、P、廓线现有和未来极轨业务气象卫星NOAA-K 卫星NPOESS 卫星模型现有和未来极轨业务气象卫星发射国家现 状未 来 发 展中 国FY-1C、D，FY-3FY-5主要功能10通道可见光、红外扫描辐射仪可见红外线成像仪、高分辨率红外分光计、微波成像仪、微波辐射仪、紫外臭氧探测器、中分辨率成像光谱辐射仪图像、SST、NDVI、海洋水色、云参数、冰雪、水体、高温热源图像、SST、NDVI和LAI、冰雪、水体、高温热源、云参数（

16、粒径、相态、含水量）、土地利用、海洋水色、全天候温压湿度廓线、O3FY-1卫星 发射国家现 状 未 来 发 展欧洲气象卫星组织无METOP主要功能无基本同NPOESSMETOP NPOESS 将组成的极轨业务气象卫星现有和未来极轨业务气象卫星极轨业务气象卫星续热带观测卫星TRMM卫星、倾角35度、高度350KM, 观测测仪器及参数如下： 仪 器分辨率频率（波长）扫描宽度微波辐射仪10KM19.37GHz600KM雷达4KM14GHz220KMVIS/IR扫描辐射仪1KM0.5-0.7/10- 12m600KM观测试验卫星卫 星探 测 器主 要 任 务EOS-Terra (AM)中分辨成像光谱仪

17、(MODIS)、热辐射反射辐射计(ASTER)、云和地球辐射能量系统(CERES)、污染测量仪（MOPITT）、多角度成像光谱仪（MISR）全球环境监测EOS-Aqua (PM)干涉红外线探测器、改进的微波探测仪、温度计、多频微波成像仪、云辐射和MODIS同上全球环境监测 EOS-Color （水色）SeaWIFS （海洋宽视场探测器）全球海洋水色监测 EOS-Aero （气溶胶）57倾角，平流层气溶胶实验（SAGE IV）全球气溶胶监测 EOS-ALT （测高）高度计、地球科学激光测距系统GPS地球科学仪（GGI）海面/海冰/陆地拓朴 EOS-Chem (化学)Stick散射计、对流层辐射光

18、谱仪、高分辨动态分层探测器、SAGE器全球大气化学成份监测 地球观测系统(EOS) 国际全球变化研究 方案(GCRP)的主要成果EOS-Terra(AM)各类遥感探测器的主要观测功能学科探测内容遥感探测器学科探测内容遥感探测器大气云性质MODIS, MISR, ASTER海洋海表温度MODIS辐射能CERES, MODIS, MISR浮游植物可溶性有机物表面风场海面高度MODISMISR降水、平流层化学、对流层化学MOPITT气溶胶MIS, MODIS大气温、湿度MODIS冰雪圈陆地冰的变化ASTER陆地陆地覆盖和土地利用变化MODIS, MISR, ASTER植被、地表温度MODIS, MI

19、SR, ASTER海冰雪覆盖MODISASTER火灾发生率MODIS, ASTER火山效应MODIS, STER太阳太阳总辐射CERES,MODIS,MISR地表湿度MODIS, ASTER海洋卫星 1、探索试验阶段(1974-1978) 在NOAA和Landsat卫星上进行探测试验。2、实验研究阶段(1978-1985) SeaSat(1978.6) Nimbus(1978.10) SeaSat 上有5台遥感探测器: 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SMMR； 可见光红外辐射计VIRR探测对象：海面风场、浪场、流场、海温、极区海冰、海平

20、面高度、水陆分界等 Nimbus-7上用于海洋探测的遥感器： 海岸带水色扫描仪CZCS；多波段微波辐射计SMMR； 探测对象：海水叶绿素，悬浮泥沙，有色可溶有机物，海水 污染物，水质，海面温度，海冰3、 应用研究阶段1985- 以SeaStar，GeoSat,Mos等卫星发射为标志 陆地卫星 美国的LandSat系列： Landsat-1 1972- Landsat-71999 法国的SPOT系统： SPOT-11986- SPOT-41998 印度的IRS系列： IRS-11988 - IRS-41998 此外，日本、欧空局、中国、以色列和加拿大等国均发射了以陆地资源遥感为主要任务的专用卫星。其他星载遥感探测器可分为：地表探测可见近红外辐射仪VNIR分辨率5-30m改进的星载热发射和反射辐射仪ASTER，15m，30m 和 90m高分辨率全色波段的分辨率为1-5m，以色列 OFER等高光谱分辨率5-10nm，如成像光谱仪36-256个波段，30-1000m分辨率 合成孔径雷