第2章 知識點回顧

1、第二章 衛(wèi)星運動規(guī)律和氣象衛(wèi)星軌道2.當你看到右圖時，你會聯(lián)想到什么？思考題：1.當你看到如下公式時，你會聯(lián)想到哪些知識點：10 cos10 cosi i *(R/(R+H)(R/(R+H)3.53.5假定：假定：(1)(1)地球：均質(zhì)球體，質(zhì)地球：均質(zhì)球體，質(zhì)量集中于地心的量集中于地心的質(zhì)點質(zhì)點；(2)(2)星星- -地距離地距離衛(wèi)星本身衛(wèi)星本身尺度，衛(wèi)星作為尺度，衛(wèi)星作為質(zhì)點處理質(zhì)點處理；(3)(3)衛(wèi)星質(zhì)量衛(wèi)星質(zhì)量地球質(zhì)量，地球質(zhì)量，衛(wèi)星對地作用可忽略衛(wèi)星對地作用可忽略；(4)(4)忽略其他天體和大氣忽略其他天體和大氣對衛(wèi)星的作用力。對衛(wèi)星的作用力。根據(jù)理論力學，衛(wèi)星在根據(jù)理論力學，衛(wèi)星

2、在地地球引力球引力（有心力）作用下（有心力）作用下的運動為平面運動。該平的運動為平面運動。該平面稱為面稱為，軌道面過，軌道面過地心。地心。第一節(jié)第一節(jié) 氣象衛(wèi)星運動規(guī)律氣象衛(wèi)星運動規(guī)律軌道軌道軌道平面軌道平面赤道平面赤道平面一、衛(wèi)星的運動方程一、衛(wèi)星的運動方程在平面在平面( (軌道面軌道面) )極坐標中的運動方程為：極坐標中的運動方程為：重力位勢：重力位勢r：衛(wèi)星矢徑：衛(wèi)星矢徑：幅角幅角：軌道常數(shù)軌道常數(shù) =GM=398613.52km3/s2h：積分常數(shù)：積分常數(shù)G：萬有引力常數(shù)：萬有引力常數(shù)M：地球質(zhì)量：地球質(zhì)量 rv軌道地心地心2( )ddGMmF rmmdrdrrr地心：極坐標原點地心

3、：極坐標原點近地點：極軸近地點：極軸22222(d rdrdtdtrdrhdt 常數(shù)) 解方程組得：解方程組得： A為積分常數(shù)。令為積分常數(shù)。令p=h2/ ， e=Ap ，得，得22/1(/)coshrA h1cospre二、衛(wèi)星運動三定律二、衛(wèi)星運動三定律( (開普勒運動定律開普勒運動定律) )1 1、衛(wèi)星運行的軌道是一圓錐截線（圓、橢圓、衛(wèi)星運行的軌道是一圓錐截線（圓、橢圓、拋物線、雙曲線），地球位于其中的一個焦點拋物線、雙曲線），地球位于其中的一個焦點上。上。橢圓軌道橢圓軌道圓圓軌軌道道雙曲線雙曲線軌道軌道拋物線拋物線軌道軌道當當e=0，c=0，p=r=a ，軌道為圓。，軌道為圓。當當e

4、 1，橢圓軌道，以地心為焦點。，橢圓軌道，以地心為焦點。 近地點近地點 rP= a(1-e) 遠地點遠地點 rA= a(1+e)當當e=1, 衛(wèi)星脫離地球引力，拋物線軌道：衛(wèi)星脫離地球引力，拋物線軌道： 人造行星人造行星當當e 1, 衛(wèi)星脫離太陽系引力，衛(wèi)星脫離太陽系引力，雙雙曲線軌道：人造恒星曲線軌道：人造恒星aPobAxw cpr焦距：焦距：c c半長軸：半長軸：a a偏心率：偏心率：e e= =c c/ /a a半通徑：半通徑：p p真近點角：真近點角：1cospre2 2、衛(wèi)星矢徑在相等時間內(nèi)，在地球周圍掃過相等衛(wèi)星矢徑在相等時間內(nèi)，在地球周圍掃過相等的面積（即面積速度為常數(shù)）。的面積

5、（即面積速度為常數(shù)）。 rv軌道地心地心222dAr dhdtdt常數(shù)衛(wèi)星在軌道上運行的角速度：衛(wèi)星在軌道上運行的角速度： = = d d /d/dt t 由于面積速度為常數(shù)，所以：由于面積速度為常數(shù)，所以： r r小，小， 大。在大。在近地點近地點p p，r r最小，最小， 最大；最大； r r大，大， 小。在小。在遠地點遠地點a a，r r最大，最大， 最小。最小。pa衛(wèi)星總能量與活力公式衛(wèi)星總能量與活力公式衛(wèi)星在軌道上的能量表示為：衛(wèi)星在軌道上的能量表示為： 因此，因此，衛(wèi)星在軌道上的運行速度為衛(wèi)星在軌道上的運行速度為 衛(wèi)星的活力公式衛(wèi)星的活力公式22mmWr（總能量）（動能）（勢能）2

6、ma221ra在橢圓軌道上在橢圓軌道上在圓軌道上在圓軌道上 r=a, e=021(1)(1)PPeraae21(1)(1)AAeraae21R+Hraa圓圓R: 地球半徑地球半徑 6370 km。H: 衛(wèi)星高度。衛(wèi)星高度。Practice:在圓軌道上在圓軌道上FY-1、 FY-2氣象衛(wèi)星飛行速度氣象衛(wèi)星飛行速度?FY-1: H=830kmFY-1: H=830km FY-2: H=35860kmFY-2: H=35860km 3 3、衛(wèi)星軌道周期的平方與軌道的半長軸的立方成正比。衛(wèi)星軌道周期的平方與軌道的半長軸的立方成正比。衛(wèi)星軌道周期：衛(wèi)星軌道周期：指衛(wèi)星在軌道上運行一周的時間指衛(wèi)星在軌道上

7、運行一周的時間 Practice: 在圓軌道上在圓軌道上FY-1FY-1、 FY-2 FY-2氣象衛(wèi)星飛行周期氣象衛(wèi)星飛行周期?1.1.橢圓軌道橢圓軌道2.2.圓軌道圓軌道3224aT32aT或或3224RHT1 1、實現(xiàn)圓軌道的條件和環(huán)繞速度實現(xiàn)圓軌道的條件和環(huán)繞速度當衛(wèi)星的入軌速度使離心力等于地球引力時：當衛(wèi)星的入軌速度使離心力等于地球引力時： 環(huán)繞速度環(huán)繞速度c 指衛(wèi)星在不同高度作圓軌道運動所具有的速度；指衛(wèi)星在不同高度作圓軌道運動所具有的速度； 入軌方向與地面平行。入軌方向與地面平行。取取r=R=6370km，有，有 1 = 7.912 km/s 第一宇宙速度第一宇宙速度衛(wèi)星在地面附近

8、水平發(fā)射。地面入軌時所需最小速度。衛(wèi)星在地面附近水平發(fā)射。地面入軌時所需最小速度。 二、衛(wèi)星的入軌速度與軌道的形狀二、衛(wèi)星的入軌速度與軌道的形狀22GMmmrr向心力離心力cGMrR+HPractice:若若 1 ？若若 c ？若？若 = c ，但入軌方向與地面，但入軌方向與地面有一定交角？有一定交角？當衛(wèi)星飛行速度進一步增加，離心力加大到使衛(wèi)星脫離當衛(wèi)星飛行速度進一步增加，離心力加大到使衛(wèi)星脫離地球引力場，即地球引力場，即a a，由活力公式得：，由活力公式得： 拋物線速度拋物線速度因此，作橢圓軌道運動的入軌速度為：因此，作橢圓軌道運動的入軌速度為： c 橢橢 p在近地面附近在近地面附近 第二

9、宇宙速度（逃逸速度）第二宇宙速度（逃逸速度）2 2、衛(wèi)星做橢軌道運動所需的條件衛(wèi)星做橢軌道運動所需的條件c= 2p121= 211.2km s若衛(wèi)星飛行速度進一步加大，衛(wèi)星的離心力大若衛(wèi)星飛行速度進一步加大，衛(wèi)星的離心力大于太陽引力，則衛(wèi)星脫離太陽系進入銀河系。于太陽引力，則衛(wèi)星脫離太陽系進入銀河系。根據(jù)理論力學，衛(wèi)星要從地表面脫離地球引力根據(jù)理論力學，衛(wèi)星要從地表面脫離地球引力場進而脫離太陽引力場所需要的速度（場進而脫離太陽引力場所需要的速度（第三宇第三宇宙速度宙速度）約為：）約為：3 = 16.9 km/s 一、一、衛(wèi)星軌道參數(shù)衛(wèi)星軌道參數(shù) 在在天球坐標系天球坐標系中中1.1. 升交點赤經(jīng)

10、（升交點赤經(jīng)（ ）；）；2.2. 傾角傾角(i)(i)3.3. 偏心率（偏心率（e=c/ae=c/a）；）；4.4. 軌道半長軸（軌道半長軸（a a）；）；5.5. 近地點角（近地點角（ ）；6.6. 平均近點角（平均近點角（M=n(t-M=n(t-t tp p) )）；）；7.7. 真近點角（真近點角（ ）；）； 8.8. 偏偏近點角（近點角（E E） aarFEobBxw c橢圓軌道參數(shù)橢圓軌道參數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 衛(wèi)星軌道參數(shù)和軌道的攝動衛(wèi)星軌道參數(shù)和軌道的攝動天球坐標系與衛(wèi)星軌道面天球坐標系與衛(wèi)星軌道面rFNP升交點軌道平面春分點方向ANDi天赤道天球Practice:升交點赤經(jīng)（升交點赤

11、經(jīng)（ ）? ? 近地點角（近地點角（ ）；XZYNSatra(1-e)Pi衛(wèi)星由南半球飛往北半球那衛(wèi)星由南半球飛往北半球那一段軌道稱為一段軌道稱為軌道的升段軌道的升段；衛(wèi)星由北半球飛往南半球那衛(wèi)星由北半球飛往南半球那一段軌道稱為一段軌道稱為軌道的降段軌道的降段；把軌道的升段與赤道的交點把軌道的升段與赤道的交點稱稱升交點升交點。軌道的降段與赤道的交點稱軌道的降段與赤道的交點稱降交點降交點。軌道傾角軌道傾角(i)(i)：指赤道平面與：指赤道平面與軌道平面間的（升段）夾角。軌道平面間的（升段）夾角。從赤道平面反時針旋轉(zhuǎn)到軌道平面從赤道平面反時針旋轉(zhuǎn)到軌道平面在在地理坐標系地理坐標系中中北北南南周期周

12、期(T)(T)：指衛(wèi)星繞地球運行指衛(wèi)星繞地球運行一周的時間；一周的時間；截距截距(L)(L)：連續(xù)兩次升交點之連續(xù)兩次升交點之間的經(jīng)度數(shù)。間的經(jīng)度數(shù)。 L=TL=T* *1515度度/ /小時小時。星下點：星下點：衛(wèi)星與地球中心連衛(wèi)星與地球中心連線在地球表面的交點稱為星線在地球表面的交點稱為星下點。下點。軌道數(shù)：軌道數(shù)：指衛(wèi)星從一升交點指衛(wèi)星從一升交點開始到下一個升交點為止環(huán)開始到下一個升交點為止環(huán)繞地球運行一圈的軌道序數(shù)繞地球運行一圈的軌道序數(shù)在地球坐標系中在地球坐標系中北北南南TRMM sub-satellite trackFor the given orbiting parameters

13、: Inclination angle = 35, Orbit height = 350km, Circular orbit衛(wèi)星軌道報報頭：TBUS-1 白天衛(wèi)星由北向南 TBUS-2 白天衛(wèi)星由南向北 TBUS-3和TBUS-4靜止衛(wèi)星第一部分：一天中每隔4條軌道升交點的經(jīng)度和時間、 周期、截距第二部分(白天)：赤道以北白天部分每隔2分鐘衛(wèi)星高度、 星下點經(jīng)緯度第二部分(夜間)：赤道以北夜間部分第三部分(白天)：赤道以南白天部分第三部分(夜間)：赤道以南夜間部分第四部分：附注。18090W090E 18018090W090E 18080800NS80800NS6040202040606040

14、2020406010326587全球衛(wèi)星軌道分區(qū)衛(wèi)星軌道報釋義及應用一一. .氣象衛(wèi)星探測的要求氣象衛(wèi)星探測的要求 1 1、資料應用方便（圓形軌道，太陽同步，對地靜止、資料應用方便（圓形軌道，太陽同步，對地靜止) ) 2 2、長期觀測（衛(wèi)星成本，數(shù)據(jù)一致性、長期觀測（衛(wèi)星成本，數(shù)據(jù)一致性- -氣候研究）氣候研究） 3 3、連續(xù)觀測、連續(xù)觀測 ( (時間分辨率高）時間分辨率高） 4 4、空間分辨率（中小尺度天氣，地表特征、空間分辨率（中小尺度天氣，地表特征) ) 5 5、綜合觀測、綜合觀測( (大氣、地表、太陽大氣、地表、太陽) ) 6 6、資料精度、資料精度(eg. T1.0C)(eg. T9

15、0i90 ，進動自西向東，進動自西向東實現(xiàn)實現(xiàn) =-0.985=-0.985 / /天天 ，來抵消軌道面的相對運動。，來抵消軌道面的相對運動。Practice: H=830km, H=830km, 實現(xiàn)太陽同步衛(wèi)星軌道的傾角實現(xiàn)太陽同步衛(wèi)星軌道的傾角i i？ 圓形軌道進動率：圓形軌道進動率： 10 cos10 cosi i *(R/(R/（R+HR+H）3.53.5( (衛(wèi)星軌道攝動理論衛(wèi)星軌道攝動理論: :地球扁率因素地球扁率因素) ) i90 i0,0,進動自東向西；進動自東向西； i90i90 , , 0,0,進動自西向東進動自西向東. .NS（3 3）近極地太陽同步衛(wèi)星軌道的實現(xiàn)）近極

16、地太陽同步衛(wèi)星軌道的實現(xiàn)3 3、太陽同步軌道的特點、太陽同步軌道的特點優(yōu)點：優(yōu)點：（1 1）軌道為圓形，軌道預告、接收和資料定位方便；）軌道為圓形，軌道預告、接收和資料定位方便；（2 2）可實現(xiàn)包含極地的全球觀測；）可實現(xiàn)包含極地的全球觀測；（3 3）在觀測時有合適的）在觀測時有合適的太陽照明，照明，有利于資料處理和使用有利于資料處理和使用；（4 4）儀器可以得到充分的）儀器可以得到充分的太陽能供給。缺點：缺點：（1 1）對中低緯度同一地點觀測的時間間隔太長（相對于）對中低緯度同一地點觀測的時間間隔太長（相對于GEO)GEO)，不利對中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測；不利對中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測；（2

17、2）相鄰兩條軌道的觀測資料時間差達）相鄰兩條軌道的觀測資料時間差達100100多分鐘，拼圖不利多分鐘，拼圖不利。三三. .地球同步地球同步/ /靜止衛(wèi)星軌道（靜止衛(wèi)星軌道（GEO)GEO)H=35860KmS SN N1 1、 地球同步衛(wèi)星軌道地球同步衛(wèi)星軌道衛(wèi)星相對于地球而言是靜止的（沒有任何方向上的運動）。2 2、地球同步衛(wèi)星軌道的實現(xiàn)、地球同步衛(wèi)星軌道的實現(xiàn)軌道傾角軌道傾角i=0i=0 ，地球赤道平面與衛(wèi)星軌道平面重合；，地球赤道平面與衛(wèi)星軌道平面重合；衛(wèi)星公轉(zhuǎn)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同；衛(wèi)星公轉(zhuǎn)方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同；軌道偏心率軌道偏心率e=0e=0 ，即軌道是圓形；，即軌道是圓形；衛(wèi)星運

18、行周期衛(wèi)星運行周期T=23T=23小時小時5656分分0404秒，等于地球自轉(zhuǎn)周期秒，等于地球自轉(zhuǎn)周期實際衛(wèi)星軌道會有點橢圓形，傾角也很難正好等于實際衛(wèi)星軌道會有點橢圓形，傾角也很難正好等于0 0，常有，常有11 的的傾角。這種誤差會使衛(wèi)星的星下點在在赤道兩側(cè)呈傾角。這種誤差會使衛(wèi)星的星下點在在赤道兩側(cè)呈“8 8”字形或圓形字形或圓形擺動。擺動。 Practice: 靜止衛(wèi)星的高度靜止衛(wèi)星的高度 H H？( (衛(wèi)星運動第三定律衛(wèi)星運動第三定律) ) 速度速度V V？( (活力公式活力公式- -圓軌道圓軌道) )3、地球同步衛(wèi)星軌道的有效利用地球同步衛(wèi)星軌道的有效利用 若在地球同步軌道上每若在地

19、球同步軌道上每3 放置一顆衛(wèi)星，共可放放置一顆衛(wèi)星，共可放置置120 顆衛(wèi)星，兩相鄰衛(wèi)星間的圓弧距為顆衛(wèi)星，兩相鄰衛(wèi)星間的圓弧距為2210.04公里。地面站接收天線波束寬度應小于公里。地面站接收天線波束寬度應小于2 0.5 。集中在歐洲、亞洲、非洲集中在歐洲、亞洲、非洲南北美洲國家也很集中南北美洲國家也很集中4、太陽干擾和衛(wèi)星蝕（1 1）靜止衛(wèi)星的衛(wèi)星蝕太太陽陽軌道地球衛(wèi)星太太陽陽軌道衛(wèi)星地球 20 10 0 10 2070605040302010每次衛(wèi)星蝕時間/分鐘從春（秋）算起（a）（b）圖圖2-12 2-12 靜止衛(wèi)星的蝕示意圖靜止衛(wèi)星的蝕示意圖（2 2）太陽干擾）太陽干擾 如圖如圖2-122-12（a a）太陽、衛(wèi)星、地面衛(wèi)星接收天線成一線時，地）太陽、衛(wèi)星、地面衛(wèi)星接收天線成一線時，地 面衛(wèi)星接收天線對著太陽，進入天線波束期間，受太陽射電噪聲面衛(wèi)星接收天線對著太陽，進入天線波束期間，受太陽射電噪聲 影響，接收電波受嚴重干擾，甚至收不到信號，這樣的干擾稱為影響，接收電波受嚴重干擾，甚至收不到信號，這樣的干擾稱為 太陽干擾。太陽干擾。5 5、地球同步衛(wèi)星軌道的優(yōu)缺點、地球同步衛(wèi)星軌道的優(yōu)缺點優(yōu)點：優(yōu)點：（