卫星气象学课件：第2章 卫星运动规律和气象卫星轨道

1、第二章 卫星运动规律和 气象卫星轨道,本章主要内容： 1、卫星轨道参数和轨道的摄动 2、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）,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,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）,卫星的活力公式：,卫星轨道周期的平方与轨道的半

2、长轴的立方成正比； （谐和定律）即:,或者：,2、 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决于火箭把卫星送入轨道的一瞬间的速度-入轨速度。 1）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：,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。 如卫星在地面附近水平发射，则以rR(地球半径)6370km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。,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

3、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。 2)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引力场，即 ， 这时对速度的要求 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，而是抛物线了。因此卫星作椭圆轨道运动的入轨速度条件 ： 其中Cp称做抛物线速度， 即11.2km/s，这个速度称第二宇宙速度，又称逃逸速度。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银河系，其速度为16.9km/s，这就是第三宇宙速度。,3、 卫星的轨道参数 1

4、）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(图2.1)中，取天赤道(地球赤道平面与天球相交)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 和赤纬表示，赤经以春分点为起点，反时针方向度量，以0360度表示；赤纬以天赤道为0o，向南、向北至两极为90o在天球坐标系中，卫星的位置可以用以下几个参数(图22)描述：,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升段；由北半球飞往南半球那一段卫星轨道称轨道的降段。卫星绕地球飞行一圈有半圈处在升段，另半

5、圈处在降段。把轨道的升段与赤道平面的交点称升交点；轨道降段与赤道平面的交点称降交点。升交点的位置用赤经表示，它表示了轨道平面的位置，也表示了轨道平面相对于太阳的取向。（图中ON，也称节线，轨道平面与赤道平面的交线） 倾角i：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 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 在空间中的方位。 偏心率e：指轨道的焦距与半长轴之比。 近地点角：指卫星在轨道平面 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。 半通经p （和偏心率e 一起表示了椭圆轨道的大小）,2）、地理坐标中的轨道参数 在气象卫星

6、地面接收处理、计算卫星轨道、资料定位等许多工作中常采用地理坐标系。卫星的位置用地球上的经、纬度表示，这种坐标系经度以通过英国格林威治天文台的子午线为0o，向东到180 o为东经、向西到180 o为西经；纬度以赤道为0o，至南北两极为90o；赤道以南为南纬，以北为北纬。这种坐标固定在地球上随地球一起转动。下面介绍几个地理坐标中的参数(图24)：,星下点：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； 星下点轨迹是卫星轨道运动 和地球自转运动的合成。,升交点和降交点：其定义与天球坐标中一

7、样； 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经度差。 轨道数：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的轨道数为零条，以后每过一个升交点，轨道数增加1。,4、卫星轨道的摄动 地球形状非球形和质量不均匀产生的附加引力 高层大气的气动力 日、月引力 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轨道有偏离，叫做卫星轨道的摄动。,1）、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椭球体，赤道鼓起部

8、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转。,当i90o，轨道平面的进动方向自西向东。,2）、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。 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。,3）、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。,4）、太阳光压摄

9、动 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 一、气象卫星轨道类型 1、按地面高度划分 （1）近地轨道（低轨） （2）中高轨道 （3）远地轨道（高轨） 2、按轨道形状划分 （1）圆形轨道 （2）近圆形轨道（小偏心率） （3）椭圆形轨道（大偏心率）,3、按轨道倾角分类 （1）前进轨道：倾角i在0-90度之间，卫星顺地球自转方向运动。 （2）赤道轨道：倾角i为0或180度，卫星在赤道上空向东或向西运行。 （3）后退轨道：倾角i在90-180度之间，卫星逆地球自转方向运行。（可实现太阳同步卫

10、星轨道） （4）极地轨道：当卫星倾角为90度，卫星通过南北两极。,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，则要取倾角较大的卫星轨道。,二、近极地太阳同步卫星轨道,太阳同步卫星轨道：指卫星的轨道平面与太阳始终保持固定的取向，由于卫星的轨道倾角接近90度，卫星几乎通过极地，故又称为近极地太阳同步卫星轨道。简称极地轨道,太阳同步卫星轨道的实现：,太阳同步卫星轨道的优缺点：,三、地球静止卫星轨道,地球同步静止卫星轨道：卫星的倾角等于0，赤道平面与轨道平面重合，则卫星在赤道上空运行；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方向相同，则称之为地球同步轨道。又称为地球静止卫星轨道。这种轨道上的卫星称为静止卫星。 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优缺点：,全球卫星观测系统,气象卫星姿态的稳定性 1、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、卫星姿态不稳定对观测资料的影响