《衛(wèi)星氣象學(xué)》課件：第2章 運(yùn)動規(guī)律0

1、第二章第二章 衛(wèi)星運(yùn)動規(guī)律和衛(wèi)星運(yùn)動規(guī)律和 氣象衛(wèi)星軌道氣象衛(wèi)星軌道 本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：1、衛(wèi)星軌道參數(shù)和軌道的攝動、衛(wèi)星軌道參數(shù)和軌道的攝動2、氣象衛(wèi)星軌道的分類、氣象衛(wèi)星軌道的分類 2.1 衛(wèi)星軌道參數(shù)和軌道的攝動 1、 衛(wèi)星運(yùn)動的軌跡 將行星運(yùn)動定律應(yīng)用于人造衛(wèi)星（求解衛(wèi)星運(yùn)動方程），可得衛(wèi)星運(yùn)動的三個(gè)定律（開普勒三大定律）： 衛(wèi)星的運(yùn)動軌道是一圓錐截面（可以是圓、橢圓），地球位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上；（橢圓定律）cos11cos12eeaePrr ，衛(wèi)星矢徑，e，偏心率，e=c/a ，a：半長軸，c：焦距 P，半通經(jīng) ：矢徑與半長軸的夾角，稱真近點(diǎn)角 )cos1 (erp軌道形狀

2、軌道形狀 衛(wèi)星的矢徑（衛(wèi)星與地心的連線）在相等的時(shí)間內(nèi)，在地球周圍掃過的面積相等； （面積定律） 常數(shù)222hrdtdA衛(wèi)星的活力公式：衛(wèi)星的活力公式： )12(2arv遠(yuǎn)地點(diǎn)遠(yuǎn)地點(diǎn)近地點(diǎn)近地點(diǎn) 衛(wèi)星軌道周期的平方與軌道的半長軸的立方成正比； （諧和定律）即: 423Ta32aT eGM數(shù)：開普勒常數(shù)，軌道常或者： 2、衛(wèi)星入軌的速度與軌道形狀衛(wèi)星入軌的速度與軌道形狀衛(wèi)星的軌道形狀可以是圓形或橢圓形。理論表明，衛(wèi)星的軌道形狀只取衛(wèi)星的軌道形狀可以是圓形或橢圓形。理論表明，衛(wèi)星的軌道形狀只取決于火箭把衛(wèi)星送入軌道的一瞬間的速度決于火箭把衛(wèi)星送入軌道的一瞬間的速度-入軌速度。入軌速度。1）圓軌道的

3、條件和環(huán)繞速度）圓軌道的條件和環(huán)繞速度當(dāng)衛(wèi)星的入軌速度使離心力等于地球引力時(shí)，則有：當(dāng)衛(wèi)星的入軌速度使離心力等于地球引力時(shí)，則有： rmvrGMm22HRrGMvc其中其中Vc是衛(wèi)星在不同高度上作圓軌道運(yùn)動所具有的速度，稱環(huán)繞速度。是衛(wèi)星在不同高度上作圓軌道運(yùn)動所具有的速度，稱環(huán)繞速度。如衛(wèi)星在地面附近水平發(fā)射，則以如衛(wèi)星在地面附近水平發(fā)射，則以rR(地球半徑地球半徑)6370km代入式，則有代入式，則有Vc7.912km/s這是衛(wèi)星在地面入軌時(shí)所需要的最小速度，把它稱為第一宇宙速度。這是衛(wèi)星在地面入軌時(shí)所需要的最小速度，把它稱為第一宇宙速度。 衛(wèi)星在某高度做圓軌道運(yùn)動時(shí)，除速度必須等于環(huán)繞速

4、度外，而且要求入軌的衛(wèi)星在某高度做圓軌道運(yùn)動時(shí)，除速度必須等于環(huán)繞速度外，而且要求入軌的方向必須與地面平行。如果衛(wèi)星的速度大于或小于環(huán)繞速度，或入軌速度雖等于環(huán)方向必須與地面平行。如果衛(wèi)星的速度大于或小于環(huán)繞速度，或入軌速度雖等于環(huán)繞速度入軌方向與地面有一定交角時(shí)，衛(wèi)星將作橢圓運(yùn)動。繞速度入軌方向與地面有一定交角時(shí)，衛(wèi)星將作橢圓運(yùn)動。2)衛(wèi)星做橢軌道運(yùn)動所需的條件衛(wèi)星做橢軌道運(yùn)動所需的條件如果衛(wèi)星的入軌速度進(jìn)一步加大，其離心力加大到足以使衛(wèi)星脫離地球如果衛(wèi)星的入軌速度進(jìn)一步加大，其離心力加大到足以使衛(wèi)星脫離地球引力場，即引力場，即，這時(shí)對速度的要求這時(shí)對速度的要求可見當(dāng)衛(wèi)星速度達(dá)到可見當(dāng)衛(wèi)星速

5、度達(dá)到V2時(shí)，它就成為行星，軌道也不是橢圓形，而是拋物時(shí)，它就成為行星，軌道也不是橢圓形，而是拋物線了。因此衛(wèi)星作橢圓軌道運(yùn)動的入軌速度條件線了。因此衛(wèi)星作橢圓軌道運(yùn)動的入軌速度條件：其中其中Cp稱做拋物線速度，稱做拋物線速度，即即11.2km/s，這個(gè)速度稱，這個(gè)速度稱第二宇宙速度第二宇宙速度，又稱逃，又稱逃逸速度。它是地面發(fā)射一顆行星所需的最小速度。逸速度。它是地面發(fā)射一顆行星所需的最小速度。3)如果衛(wèi)星的離心力進(jìn)一步增大到大于太陽引力，則衛(wèi)星脫離太陽系進(jìn)入如果衛(wèi)星的離心力進(jìn)一步增大到大于太陽引力，則衛(wèi)星脫離太陽系進(jìn)入銀河系，其速度為銀河系，其速度為16.9km/s，這就是，這就是第三宇宙

6、速度第三宇宙速度。cvv22ccpvvvc橢圓2 3、衛(wèi)星的軌道參數(shù)衛(wèi)星的軌道參數(shù)1）天球坐標(biāo)系中的衛(wèi)星軌道參數(shù)）天球坐標(biāo)系中的衛(wèi)星軌道參數(shù)為描述衛(wèi)星在宇宙空間中的運(yùn)動規(guī)律，通常采用天球坐標(biāo)系描述衛(wèi)星為描述衛(wèi)星在宇宙空間中的運(yùn)動規(guī)律，通常采用天球坐標(biāo)系描述衛(wèi)星的運(yùn)動。假想宇宙空間為一球，其兩極與地球的極一致，但天球不隨地的運(yùn)動。假想宇宙空間為一球，其兩極與地球的極一致，但天球不隨地球自轉(zhuǎn)。在天球坐標(biāo)球自轉(zhuǎn)。在天球坐標(biāo)(圖圖2.1)中，取天赤道中，取天赤道(地球赤道平面與天球相交地球赤道平面與天球相交)為基為基本圈，地心為中心，春分點(diǎn)為原點(diǎn)。天球上任一點(diǎn)的位置用赤經(jīng)本圈，地心為中心，春分點(diǎn)為原點(diǎn)

7、。天球上任一點(diǎn)的位置用赤經(jīng) 和赤和赤緯緯表示，赤經(jīng)以春分點(diǎn)為起點(diǎn)，反時(shí)針方向度量，以表示，赤經(jīng)以春分點(diǎn)為起點(diǎn)，反時(shí)針方向度量，以0360度表示；赤度表示；赤緯以天赤道為緯以天赤道為0o，向南、向北至兩極為，向南、向北至兩極為90o在天球坐標(biāo)系中，衛(wèi)星的位置在天球坐標(biāo)系中，衛(wèi)星的位置可以用以下幾個(gè)參數(shù)可以用以下幾個(gè)參數(shù)(圖圖22)描述：描述： 升交點(diǎn)赤經(jīng)升交點(diǎn)赤經(jīng)：衛(wèi)星由南半球飛往北半球那一段軌道稱衛(wèi)星軌道的：衛(wèi)星由南半球飛往北半球那一段軌道稱衛(wèi)星軌道的升升段段；由北半球飛往南半球那一段衛(wèi)星軌道稱軌道的；由北半球飛往南半球那一段衛(wèi)星軌道稱軌道的降段降段。衛(wèi)星繞地球飛。衛(wèi)星繞地球飛行一圈有半圈處在

8、升段，另半圈處在降段。把軌道的升段與赤道平面的行一圈有半圈處在升段，另半圈處在降段。把軌道的升段與赤道平面的交點(diǎn)稱交點(diǎn)稱升交點(diǎn)升交點(diǎn)；軌道降段與赤道平面的交點(diǎn)稱；軌道降段與赤道平面的交點(diǎn)稱降交點(diǎn)降交點(diǎn)。升交點(diǎn)的位置用。升交點(diǎn)的位置用赤經(jīng)赤經(jīng)表示，它表示了軌道平面的位置，也表示了軌道平面相對于太陽表示，它表示了軌道平面的位置，也表示了軌道平面相對于太陽的取向。（圖中的取向。（圖中ON，也稱節(jié)線，軌道平面與赤道平面的交線），也稱節(jié)線，軌道平面與赤道平面的交線）傾角傾角i：這是指衛(wèi)星軌道平面與赤道平面：這是指衛(wèi)星軌道平面與赤道平面之間的夾角，單位度。其度量是當(dāng)衛(wèi)星處之間的夾角，單位度。其度量是當(dāng)衛(wèi)星

9、處在升段時(shí)，從赤道平面反時(shí)針旋轉(zhuǎn)到軌道在升段時(shí)，從赤道平面反時(shí)針旋轉(zhuǎn)到軌道平面計(jì)算（與升交點(diǎn)一起表示了軌道平面平面計(jì)算（與升交點(diǎn)一起表示了軌道平面在空間中的方位。在空間中的方位。偏心率偏心率e：指軌道的焦距與半長軸之比。指軌道的焦距與半長軸之比。近地點(diǎn)角近地點(diǎn)角：指衛(wèi)星在軌道平面：指衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)升交點(diǎn)與近地點(diǎn)之間的夾角，它內(nèi)升交點(diǎn)與近地點(diǎn)之間的夾角，它確定了軌道半長軸的方向。確定了軌道半長軸的方向。半通經(jīng)半通經(jīng)p（和偏心率（和偏心率e 一起表示了橢圓軌道的大?。┮黄鸨硎玖藱E圓軌道的大?。? 2）、）、地理坐標(biāo)中的軌道參數(shù)地理坐標(biāo)中的軌道參數(shù) 在氣象衛(wèi)星地面接收處理、在氣象衛(wèi)星地面接收處理、

10、計(jì)算衛(wèi)星軌道、資料定位等許計(jì)算衛(wèi)星軌道、資料定位等許多工作中常采用地理坐標(biāo)系。多工作中常采用地理坐標(biāo)系。衛(wèi)星的位置用地球上的經(jīng)、緯衛(wèi)星的位置用地球上的經(jīng)、緯度表示，這種坐標(biāo)系經(jīng)度以通度表示，這種坐標(biāo)系經(jīng)度以通過英國格林威治天文臺的子午過英國格林威治天文臺的子午線為線為0 0o o，向東到，向東到180180 o o為東經(jīng)、為東經(jīng)、向西到向西到180180 o o為西經(jīng)；緯度以赤為西經(jīng)；緯度以赤道為道為0 0o o，至南北兩極為，至南北兩極為9090o o；赤；赤道以南為南緯，以北為北緯。道以南為南緯，以北為北緯。這種坐標(biāo)固定在地球上隨地球這種坐標(biāo)固定在地球上隨地球一起轉(zhuǎn)動。下面介紹幾個(gè)地理一起

11、轉(zhuǎn)動。下面介紹幾個(gè)地理坐標(biāo)中的參數(shù)坐標(biāo)中的參數(shù)( (圖圖2 24)4)：星下點(diǎn)星下點(diǎn)：是指衛(wèi)星與地球中心的連線在地球表面上的交：是指衛(wèi)星與地球中心的連線在地球表面上的交點(diǎn)，用地理坐標(biāo)的經(jīng)緯度表示。由于衛(wèi)星運(yùn)動和地球的自點(diǎn)，用地理坐標(biāo)的經(jīng)緯度表示。由于衛(wèi)星運(yùn)動和地球的自轉(zhuǎn)，星下點(diǎn)在地球表面形成一條連續(xù)的運(yùn)動軌跡，這一軌轉(zhuǎn)，星下點(diǎn)在地球表面形成一條連續(xù)的運(yùn)動軌跡，這一軌跡稱為星下點(diǎn)軌跡；跡稱為星下點(diǎn)軌跡；星下點(diǎn)軌跡是衛(wèi)星軌道運(yùn)動星下點(diǎn)軌跡是衛(wèi)星軌道運(yùn)動和地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動的合成。和地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動的合成。升交點(diǎn)和降交點(diǎn)升交點(diǎn)和降交點(diǎn)：其定義與天球坐標(biāo)中一樣；：其定義與天球坐標(biāo)中一樣；截距截距：由于衛(wèi)星繞地球

12、公轉(zhuǎn)的同時(shí)，地球不停地自西：由于衛(wèi)星繞地球公轉(zhuǎn)的同時(shí)，地球不停地自西向東旋轉(zhuǎn)，所以當(dāng)衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)一周后，地球相對衛(wèi)星向東旋轉(zhuǎn)，所以當(dāng)衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)一周后，地球相對衛(wèi)星轉(zhuǎn)過的度數(shù)稱之為截距?？梢娊鼐嗍莾蓚€(gè)升交點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)過的度數(shù)稱之為截距?？梢娊鼐嗍莾蓚€(gè)升交點(diǎn)之間的經(jīng)度差。經(jīng)度差。軌道數(shù)軌道數(shù)：是指衛(wèi)星從這一個(gè)升交點(diǎn)開始后到以后任何：是指衛(wèi)星從這一個(gè)升交點(diǎn)開始后到以后任何一個(gè)升交點(diǎn)環(huán)繞地球運(yùn)行一圈的數(shù)目。從衛(wèi)星入軌到第一個(gè)升交點(diǎn)環(huán)繞地球運(yùn)行一圈的數(shù)目。從衛(wèi)星入軌到第一個(gè)升交點(diǎn)的軌道數(shù)為零條，以后每過一個(gè)升交點(diǎn)，軌一個(gè)升交點(diǎn)的軌道數(shù)為零條，以后每過一個(gè)升交點(diǎn)，軌道數(shù)增加道數(shù)增加1 1。4 4、衛(wèi)星軌道

13、的攝動、衛(wèi)星軌道的攝動l地球形狀非球形和質(zhì)量不均勻產(chǎn)生的附加引力地球形狀非球形和質(zhì)量不均勻產(chǎn)生的附加引力l高層大氣的氣動力高層大氣的氣動力l日、月引力日、月引力l太陽光輻射壓力太陽光輻射壓力衛(wèi)星的軌道參數(shù)隨時(shí)間緩慢變化，和開普勒定律得出的衛(wèi)星的軌道參數(shù)隨時(shí)間緩慢變化，和開普勒定律得出的軌道有偏離，叫做軌道有偏離，叫做衛(wèi)星軌道的攝動。 1 1）、由于地球橢圓形狀引起的攝動）、由于地球橢圓形狀引起的攝動 地球是一個(gè)在赤道部分有些鼓起的扁平的近似旋轉(zhuǎn)地球是一個(gè)在赤道部分有些鼓起的扁平的近似旋轉(zhuǎn)橢球體，赤道鼓起部分會給衛(wèi)星軌道以攝動，使得衛(wèi)星橢球體，赤道鼓起部分會給衛(wèi)星軌道以攝動，使得衛(wèi)星的軌道平面繞

14、地軸緩慢地轉(zhuǎn)動，軌道平面的主軸也在旋的軌道平面繞地軸緩慢地轉(zhuǎn)動，軌道平面的主軸也在旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。 當(dāng)當(dāng)i90o，軌道平面的進(jìn)動方向自西向東，軌道平面的進(jìn)動方向自西向東。 2 2）、空氣阻力對衛(wèi)星軌道的影響）、空氣阻力對衛(wèi)星軌道的影響阻力大小與大氣密度，衛(wèi)星形狀和運(yùn)行速度等有關(guān)。阻力大小與大氣密度，衛(wèi)星形狀和運(yùn)行速度等有關(guān)。當(dāng)衛(wèi)星的高度較低時(shí)，這種作用不能忽視?？諝庾璁?dāng)衛(wèi)星的高度較低時(shí)，這種作用不能忽視?？諝庾枇κ剐l(wèi)星的動能不斷損耗，軌道日益縮小，偏心率力使衛(wèi)星的動能不斷損耗，軌道日益縮小，偏心率減小，衛(wèi)星高度下降，軌道形狀逐漸接近正圓，最減小，衛(wèi)星高度下降，軌道形狀逐漸接近正圓，最后墜入稠密大氣層

15、而毀滅。后墜入稠密大氣層而毀滅。3 3）、太陽、月球引力對衛(wèi)星軌道的影響）、太陽、月球引力對衛(wèi)星軌道的影響日月引力攝動因太陽和月亮對衛(wèi)星引力加速度與對日月引力攝動因太陽和月亮對衛(wèi)星引力加速度與對地球的引力加速度之差而產(chǎn)生。地球的引力加速度之差而產(chǎn)生。當(dāng)衛(wèi)星高度較高時(shí)，太陽和月球?qū)ζ涞囊筒豢僧?dāng)衛(wèi)星高度較高時(shí)，太陽和月球?qū)ζ涞囊筒豢珊鲆暎珈o止衛(wèi)星高度，可超過地球扁率攝動，成忽視，如靜止衛(wèi)星高度，可超過地球扁率攝動，成為主要的攝動因素。為主要的攝動因素。4 4）、太陽光壓攝動）、太陽光壓攝動阻繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星受到太陽的直接輻射、地球阻繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星受到太陽的直接輻射、地球反射的太陽輻射和

16、地球發(fā)射出的輻射能量的作用反射的太陽輻射和地球發(fā)射出的輻射能量的作用力大小與大氣密度，衛(wèi)星形狀和運(yùn)行速度等有關(guān)。力大小與大氣密度，衛(wèi)星形狀和運(yùn)行速度等有關(guān)。 2.2氣象衛(wèi)星軌道氣象衛(wèi)星軌道一、氣象衛(wèi)星軌道類型一、氣象衛(wèi)星軌道類型1 1、按地面高度劃分、按地面高度劃分（1 1）近地軌道（低軌）近地軌道（低軌）（2 2）中高軌道）中高軌道（3 3）遠(yuǎn)地軌道（高軌）遠(yuǎn)地軌道（高軌）2 2、按軌道形狀劃分、按軌道形狀劃分（1）圓形軌道）圓形軌道（2）近圓形軌道（小偏心率）近圓形軌道（小偏心率）（3）橢圓形軌道（大偏心率）橢圓形軌道（大偏心率）3 3、按軌道傾角分類、按軌道傾角分類（1 1）前進(jìn)軌道：傾

17、角）前進(jìn)軌道：傾角i i在在0-900-90度之間，衛(wèi)星順地球自轉(zhuǎn)方度之間，衛(wèi)星順地球自轉(zhuǎn)方向運(yùn)動。向運(yùn)動。（2 2）赤道軌道：傾角）赤道軌道：傾角i i為為0 0或或180180度，衛(wèi)星在赤道上空向東度，衛(wèi)星在赤道上空向東或向西運(yùn)行?；蛳蛭鬟\(yùn)行。（3 3）后退軌道：傾角）后退軌道：傾角i i在在90-18090-180度之間，衛(wèi)星逆地球自轉(zhuǎn)度之間，衛(wèi)星逆地球自轉(zhuǎn)方向運(yùn)行。（可實(shí)現(xiàn)太陽同步衛(wèi)星軌道）方向運(yùn)行。（可實(shí)現(xiàn)太陽同步衛(wèi)星軌道）（4 4）極地軌道：當(dāng)衛(wèi)星傾角為）極地軌道：當(dāng)衛(wèi)星傾角為9090度，衛(wèi)星通過南北兩極。度，衛(wèi)星通過南北兩極。衛(wèi)星的傾角不同，觀測范圍也不衛(wèi)星的傾角不同，觀測范圍也

18、不同。如果只對熱帶地區(qū)觀測，可同。如果只對熱帶地區(qū)觀測，可以選擇較小傾角的軌道；如果要以選擇較小傾角的軌道；如果要觀測極地區(qū)域，則要取傾角較大觀測極地區(qū)域，則要取傾角較大的衛(wèi)星軌道。的衛(wèi)星軌道。二、近極地太陽同步衛(wèi)星軌道二、近極地太陽同步衛(wèi)星軌道太陽同步衛(wèi)星軌道太陽同步衛(wèi)星軌道：指衛(wèi)星的軌道平面與太陽始終：指衛(wèi)星的軌道平面與太陽始終保持固定的取向，由于衛(wèi)星的軌道傾角接近保持固定的取向，由于衛(wèi)星的軌道傾角接近90度，度，衛(wèi)星幾乎通過極地，故又稱為衛(wèi)星幾乎通過極地，故又稱為近極地太陽同步衛(wèi)星近極地太陽同步衛(wèi)星軌道軌道。簡稱。簡稱極地軌道極地軌道太陽同步衛(wèi)星軌道的實(shí)現(xiàn)：太陽同步衛(wèi)星軌道的實(shí)現(xiàn)：太陽同步衛(wèi)星軌道的優(yōu)缺點(diǎn)：太陽同步衛(wèi)星軌道的優(yōu)缺點(diǎn)：三、地球靜止衛(wèi)星軌道三、地球靜止衛(wèi)星軌道地球同步靜止衛(wèi)星軌道地球同步靜止衛(wèi)星軌道：衛(wèi)星的傾角等于：衛(wèi)星的傾角等于0，赤道平面，赤道平面與軌道平面重合，則衛(wèi)星在赤道上空運(yùn)行；又若衛(wèi)星的與軌道平面重合，則衛(wèi)星在赤道上空運(yùn)行；又若衛(wèi)星的周期正