衛(wèi)星氣象學(xué)基本知識

衛(wèi)星氣象學(xué)基本知識課件第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日§2.1氣象衛(wèi)星的軌道一、衛(wèi)星運動三定律：第一，衛(wèi)星運行的軌道是一圓錐截線（圓錐被一平面所截出的曲線，可以是圓、橢圓、拋物線），地球位于其中的一個焦點上。第二，衛(wèi)星的向徑（衛(wèi)星與地心連線）在相等的時間內(nèi)，在地球周圍掃過的面積相等。第三，衛(wèi)星軌道周期的平方與軌道半長軸的立方成正比。（1）對于第一定律，衛(wèi)星運動軌道是一圓錐截線，其表示式為：

r=P/（1+ecosθ）式中e＝c/a是偏心率，a是半長軸，C是焦距，P＝r（1+ecosθ）是半通徑，θ是矢徑r與半長軸a的夾角?？梢娖穆适菦Q定軌道形狀的主要參數(shù)。第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日①當e＝0時，c=0，P=r=a，衛(wèi)星軌道是以地心為圓心的圓形軌道。②當e＜1時，衛(wèi)星的運動軌道是以地心為一焦點的橢圓形軌道。其C≠0，焦點與橢圓中心不重合，而半通徑p=a（1－e2）。③當e＝1時，運動軌道是以地心為焦點的拋物線軌道。焦距與半長軸相等。運動物體沿拋物線軌道飛離地球，成為太陽系的人造衛(wèi)星。④當e＞1時，運動軌道是以地心為焦點的雙曲線，c＞a，運動物體沿雙曲線軌道飛離地球和太陽系，成為銀河系中的一個星體。（2）根據(jù)第二定律，有

dA/dt=（1/2）r2(dθ/dt)=(1/2)h=常數(shù)式中dA是半徑在dt時間內(nèi)掃過的面積，h是一常數(shù)，由上式得衛(wèi)星的角速度為

ω=r(dθ/dt)=（1/r）h可見，衛(wèi)星的角速度ω大小，與r大小成反比。對于橢圓軌道，由于遠地點r最大，因而衛(wèi)星角速度最??；而近地點r最小，衛(wèi)星角速度最大。故第二定律表達了衛(wèi)星在軌道的角速度的大小。第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日由理論力學(xué)可以求得衛(wèi)星在橢圓軌道上的總能量為：W（總能量）=（1/2）mV2（動能）－μm/r（勢能）=－μm/2a式中m為衛(wèi)星質(zhì)量，r是衛(wèi)星的矢徑，μ=GM為開普勒常數(shù)，G是萬有引力常數(shù)，M是地球質(zhì)量?？傻眯l(wèi)星在軌道的速度為：V2=μ（2/r）－（1/a）稱為衛(wèi)星活力公式，可計算出衛(wèi)星在軌道上任一點的速度。第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日（3）、根據(jù)第三定律可確定衛(wèi)星的周期：

a3/T2=μ/4π2

或T=2π（a3/μ）1/2可見衛(wèi)星的周期僅決定于軌道的長半軸。

2、按軌道偏心率可以分為圓形軌道和橢圓形衛(wèi)星軌道。選擇圓形軌道有許多優(yōu)點：①衛(wèi)星在圓軌道上勻速運動，便于軌道的計算和預(yù)告；②衛(wèi)星觀測得到的圖片比例尺一致，便于資料的處理和使用；③有利于儀器的工作和衛(wèi)星姿態(tài)控制。第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日

3、按衛(wèi)星軌道傾角，可將衛(wèi)星軌道分為前進軌道和后退軌道。傾角在0一90°之間，稱前進軌道或順行軌道。傾角在90一180°之間，為后退軌道或逆行軌道。傾角等于零，稱為赤道軌道。傾角等于90°時，稱極地軌道。傾角不同，觀測范圍不同。對熱帶地區(qū)觀測，選傾角較小的軌道；觀測極區(qū)，應(yīng)選傾角接近90°的軌道。

4、按衛(wèi)星高度將軌道分成三種類型：

(1)低高度、短壽命衛(wèi)星軌道：衛(wèi)星高度為150—200公里，壽命只有1—3周，大多為軍事服務(wù)的偵察衛(wèi)星所采用。

(2)中高度，長壽命衛(wèi)星軌道：高度約為350—1500公里，壽命達一年以上。氣象衛(wèi)星，陸地和海洋衛(wèi)星都用這種軌道。

(3)高高度，長壽命地球靜止衛(wèi)星軌道：軌道的高度約35800千米左右，受地心引力和大氣阻力的影響很小，衛(wèi)星的壽命很長，可以存在好幾年，主要為氣象衛(wèi)星和通訊衛(wèi)星所用。從氣象觀測要求氣象衛(wèi)星使用近極地太陽同步軌道和地球同步軌道兩種軌道。第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日二、衛(wèi)星的入軌速度與軌道的形狀衛(wèi)星的軌道形狀可以是圓形、橢圓形、拋物線或雙曲線。衛(wèi)星軌道的形狀還取決于火箭將它送入軌道時一瞬間的速度。衛(wèi)星環(huán)繞地球運行時，作用于它的有地心引力，有離心力。離心力的大小決定于衛(wèi)星速度。離心力小于地心引力，物體要落回地面。離心力等于地心引力時，就作平衡的圓周運動，而成為衛(wèi)星。速度增大到離心力大于地心引力時，平衡的圓周運動被破壞將作橢圓運動。速度再加大，其運動軌道將為拋物線或雙曲線。1、實現(xiàn)圓型軌道的條件是衛(wèi)星入軌速度使離心力等于地心引力式中Vc是衛(wèi)星在圓軌道運動的速度，也是衛(wèi)星入軌速度，該速度稱做環(huán)繞速度。如果物體在地面附近發(fā)射，則以r＝R（地球半徑）＝6370公里代入上式，并記這時的Vc為V1，便有

V1＝7．912千米／秒這是衛(wèi)星在地面發(fā)射入軌時所需要的最小速度，把它稱做第一宇宙速度。第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日衛(wèi)星在某高度作圓軌道運動，除速度必須等于環(huán)繞速度外，而且要求入軌速度方向必須與地面平行。如果衛(wèi)星速度大于或小于環(huán)繞速度，和入軌速度雖等于環(huán)繞速度，但入軌方向與地面有一定交角時，衛(wèi)星將作橢圓運動，而不是圓軌道運動。

2、作橢圓軌道運動需要的條件如果衛(wèi)星入軌速度進一步加大，其離心力加大到使衛(wèi)星脫離地球引力場，即a→∞，則由活力公式得

可見，當衛(wèi)星達到2?Vc速度時，它就演變?yōu)樾行?，軌道也不是橢圓形，而是雙曲線了。因此衛(wèi)星作橢圓軌道運動所需的入軌速度應(yīng)滿足

2?Vc＞V橢＞Vc式中的Vp稱做拋物線速度。若將衛(wèi)星在地面附近作環(huán)繞速度的Vc=V1代入Vp式，并把此時的Vp記為V2，得

V2=11.2千米/秒第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日稱V2為第二宇宙速度，又稱逃逸速度。如果衛(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，其速度為

V3=16.9千米/秒為第三宇宙速度。第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日

§2.2軌道參數(shù)和衛(wèi)星軌道

1、衛(wèi)星的軌道參數(shù)

（l）傾角：衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面的夾角。

(2)高度：衛(wèi)星軌道離地球表面的距離。

（3）周期：衛(wèi)星沿其軌道運行一周所需的時間。

（4）星下點：衛(wèi)星與地球中心連線在地球表面的交點稱星下點。由于衛(wèi)星的運動和地球的自轉(zhuǎn)，顯下點在地球表面形成一條連續(xù)的軌跡，這一軌跡稱星下點軌跡。顯下點常用經(jīng)、緯度表示其位置。

（5）升交點和降交點：衛(wèi)星運行一個周期自南向北與地球赤道的交點為升交點，自北向南與地球赤道的交點為降交點，所以每條衛(wèi)星軌道的升交點和降交點是不同的。（6）截距：衛(wèi)星運行一個周期地球赤道所轉(zhuǎn)過的距離。由于在衛(wèi)星繞地球公轉(zhuǎn)的同時，地球不停地自轉(zhuǎn)，衛(wèi)星沿規(guī)定轉(zhuǎn)一周需約2小時，地球自轉(zhuǎn)需24小時，每小時轉(zhuǎn)過15度，所以衛(wèi)星一個周期在赤道的截距是30個經(jīng)度。第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日

2、氣象衛(wèi)星的軌道（1）、近極地太陽同步衛(wèi)星軌道

所謂太陽同步軌道是指衛(wèi)星的軌道平商和太陽始終保持相對固定的取向。由于這種軌道的傾角接近90°，衛(wèi)星要在極地附近通過，所以又稱它為近極地太陽同步衛(wèi)星軌道，有時簡稱極地軌道。近極地太陽同步軌道的示意圖

第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日

1)、太陽同步軌道的實現(xiàn)地球繞太陽公轉(zhuǎn)時跟隨地球一起公轉(zhuǎn)的軌道平面作平動，相對太陽的取向的改變?yōu)椋?60°，所以軌道平面每天取向的改變(轉(zhuǎn)過的度數(shù))為360°/365天=0．985°／天≈1°／天。也就使得衛(wèi)星每天提早4分鐘出現(xiàn)于同一觀測點。為了使軌道平面相對于太陽始終有固定的取向，必須克服軌道平面每天大約1°的取向改變。對此，可以利用因地球的扁率引起軌道平面的進動去抵消它。選定合適的傾角，使軌道平面自西向東進動正好為1°／天左右，就抵消了軌道平面取向的改變，實現(xiàn)太陽同步軌道。

2)、太陽同步軌道的優(yōu)缺點太陽同步軌道的優(yōu)點有：①由于太陽同步軌道近似為圓形，軌道預(yù)告、接收和資料定位都很方便；②有利于資料的處理和使用；③太陽同步軌道衛(wèi)星可以觀測全球，尤其可以觀測兩極地區(qū)；④在觀測時有合適的照明，可以得到充足的太陽能。

第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日

太陽同步軌道的缺點是：①可以取得全球資料，但觀測間隔長，對某—地區(qū)，一顆衛(wèi)星在紅外波段取得兩次資料；②觀測次數(shù)少，不利于分析生命短的中小尺度天氣系統(tǒng)。③相鄰兩條軌道的資料不是同一時刻，這對資料的利用不利。

（2）、地球同步衛(wèi)星軌道地球同步衛(wèi)星軌道是衛(wèi)星軌道的傾角等于0°，赤道平面與軌道平面重合，則衛(wèi)星在赤道上空運行，并且衛(wèi)星的周期等于地球自轉(zhuǎn)周期(23小時56分04秒)，其旋轉(zhuǎn)方向相同，這樣的軌道稱做地球同步衛(wèi)星軌道。從地面上看，軌道上的衛(wèi)星好象靜止在天空某一地方不動似的，所以又叫做靜止衛(wèi)星軌道。衛(wèi)星稱靜止衛(wèi)星。

1)、地球同步軌道的實現(xiàn)

理想的靜止衛(wèi)星軌道：實現(xiàn)理想的靜止衛(wèi)星軌道必須滿足下述條件：

①衛(wèi)星運行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，即同向運行，

②衛(wèi)星軌道傾角為0°，即赤道平面與軌道平面完全重合，

③軌道偏心率e為0，即軌道是圓形的，

④周期為23小時56分04秒。第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日

實際的靜止衛(wèi)星軌道，實際的靜止衛(wèi)星軌道不可能是圓形，而帶有點橢圓形，在一天當中，衛(wèi)星的軌道半徑有時大有時小。當軌道半徑偏大時，衛(wèi)星速度減小，其相對于地球就要向西漂移，當軌道半徑偏小時，衛(wèi)星速度加大，就要向東漂移。所以一天之內(nèi)，衛(wèi)星要作東西向漂移。同時，衛(wèi)星軌道傾角也不正好是0°，常有1°的傾角；若不考慮其它因素，衛(wèi)星在一天內(nèi)將作南北漂移。如若衛(wèi)星軌道即帶有一點橢圓形，又有一點傾角，則衛(wèi)星的星下點軌跡是上述兩種結(jié)果的合成，使得每天的星下點軌跡在赤道兩側(cè)呈“8’字形擺動。

靜止衛(wèi)星酌高度可以根據(jù)開普勒第三定律算得：第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日

2）、靜止衛(wèi)星軌道的有效利用

地球同步衛(wèi)星軌道是赤道上空約35860公里高處的圓形軌道，盡管這條軌道的圓周很長，但是由于連續(xù)不斷地發(fā)射靜止衛(wèi)星，衛(wèi)星的位置遲早會出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，靜止衛(wèi)星只能在唯一的這條軌道上。同時即使不考慮衛(wèi)星在空間位置上、的矛盾，假如衛(wèi)星過于接近，也存在相鄰衛(wèi)星間的電波干擾問題；這就是從地面向衛(wèi)星發(fā)射電波，它附近的衛(wèi)星就會收到，從而產(chǎn)生干擾。為防止衛(wèi)星間的相互干擾，要求地面站具有高方向性定向窄波束天線。例如對于3°間隔的衛(wèi)星，波束寬度應(yīng)小于2±0．5°，若每隔3°放置一顆靜止衛(wèi)星，繞地球一圈可放120顆靜止衛(wèi)星，則兩個相鄰衛(wèi)星的圓周弧距為：△S=2π（R+H）/120°=2210.04(km)

靜止衛(wèi)星的使用價值很高，各國都希望盡早發(fā)射自己的衛(wèi)星，世界各國又都集中在歐洲、亞洲，非洲這一帶，南北美洲國家也很集中，但是衛(wèi)星的位置是有限的，這就涉及到如何合理地、有效地使用靜止衛(wèi)星軌道。第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日

3）、衛(wèi)星蝕和太陽干擾

①衛(wèi)星蝕：大家知道，當太陽，月亮和地球依次排列在一條直線上時，太陽被月亮擋住，就出現(xiàn)日蝕，當太陽，地球和月亮處于一條直線時，月球進入地球的陰影區(qū)，就發(fā)生月蝕。人造衛(wèi)星也會發(fā)生這種情況，若太陽，地球和人造衛(wèi)星在一條直線上時，人造衛(wèi)星進入地球陰影區(qū)，就出現(xiàn)衛(wèi)星蝕。如下圖所示，靜止衛(wèi)星位于赤造平面內(nèi)，所以靜止衛(wèi)星的衛(wèi)星蝕蝕出現(xiàn)在春分和秋分前后的一段時間內(nèi)，衛(wèi)星星下點地區(qū)正好處于午夜時分，在春分和秋分這兩天衛(wèi)星蝕的時間最長，達72分鐘之久，衛(wèi)星蝕可連續(xù)出現(xiàn)45天。在衛(wèi)星蝕出現(xiàn)期間，人造衛(wèi)星上的太陽電池不能工作，所以用蓄電池供電，因此衛(wèi)星必須帶上大的蓄電池，才不會使衛(wèi)星工作停止。有時供電不足時，仍要停止某些觀測項目或作某些調(diào)，處在衛(wèi)星蝕期間，因衛(wèi)星中沒有熱量輸入，衛(wèi)星星體的溫度下降，使得其體積收縮，以致自旋速率加大。太陽同步軌道衛(wèi)星也出現(xiàn)衛(wèi)星蝕。衛(wèi)星蝕的時間長短，決定于衛(wèi)星高度和衛(wèi)星經(jīng)過各地的地方時時間。第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日

②太陽干擾：當太陽，靜止衛(wèi)星和地球上的接收天線處在一條直線上時，地面接收天線正好對著太陽。在太陽進入接收天線波束期間，在強烈的太陽射電噪聲影響下，接收電波受嚴重干擾，地面接收天線收不到訊號，這樣的干擾稱太陽干擾。這種情況在春分和秋分前后連續(xù)數(shù)天發(fā)生，受干擾的時間的長短隨天線直徑大小而異。

4）、靜止衛(wèi)星的優(yōu)缺點

靜止衛(wèi)星作為一個氣象觀測平臺有許多優(yōu)點：①是衛(wèi)星高度高，視野廣闊，一個衛(wèi)星可對南北70°S--70°N，東西140個經(jīng)度，約占地球表面1／3約1.7億平方公里進行觀測；②是可以對某一固定區(qū)域進行連續(xù)觀測，約半小時提供一張全景圓面圖，特殊需要時，3—5分鐘對某小區(qū)域進行一次觀測；③是可以連續(xù)監(jiān)視天氣云系的演變，特別是生命短，變化快的中小尺度天氣系統(tǒng)。如果把間隔為5分鐘的圖片連接成電影環(huán)，可以連續(xù)觀察天氣云系的演變。

靜止衛(wèi)星的不足是：①它不能觀測南北極區(qū)。②由于離地球很遠，要得到清楚的圖片，對儀器的要求很高。③衛(wèi)星軌道有限。第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日

§2.3、氣象衛(wèi)星的發(fā)射

1．衛(wèi)星的發(fā)射和入軌過程

人造衛(wèi)星是火箭技術(shù)迅速發(fā)展的結(jié)果。為了將衛(wèi)星送入軌道，一般采用多級火箭。當?shù)谝患壔鸺c火后，整個火箭便慢慢地離開發(fā)射臺，第一級火箭級燃料燒盡時，將殼體分離拋棄，得速度V1；然后第二級點火，第二級推進劑燒完，又把殼體拋棄，速度增量V2，接著第三級點火，速度增量為V3，最終速度為V1十V2十V3。衛(wèi)星的發(fā)射過程分為如下幾段：①垂直上升段：此段，箭很大很重及空氣密度大，大氣的阻力也大，所以火箭垂直緩慢穿過大氣層；②轉(zhuǎn)彎飛行段，火箭垂直穿過稠密大氣層后，火箭將向預(yù)定軌道飛行。③自由飛行段，主要火箭荷重已脫離，剩余火箭及衛(wèi)星在空間靠慣性自由飛行；④衛(wèi)星入軌段：當火箭在自由飛行段到達預(yù)定高度和速度時，點燃第三級火箭，加速飛行，最后到達衛(wèi)星軌道應(yīng)具有的高度、速度和方向時，衛(wèi)星與火箭分離，進入軌道。

第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日

2、靜止軌道衛(wèi)星的發(fā)射

靜止衛(wèi)星軌道是離地面高度約35860公里的赤道平面軌道，用火箭一下子送到這樣高的軌道，需要花費相當巨大的能量。

①先由火箭把衛(wèi)星發(fā)射到180—250公里的低高度軌道上，稱暫定軌道或初始軌道；

②當運行到與赤道平面相交處，點燃火箭，使衛(wèi)星進入遠地點高度為35860公里的偏心率很大的橢圓軌道，叫轉(zhuǎn)移軌道；

③當衛(wèi)星沿轉(zhuǎn)移軌道運行幾圈后，到達遠地點赤道上空時，點燃遠地點發(fā)動機使衛(wèi)星獲得速度增量△V，偏離橢圓軌道；

④衛(wèi)星切線速度Vo軌=3.07千米／秒時，衛(wèi)星便進入接近預(yù)定的圓形軌道，稱為漂移軌道，也叫近靜止軌道，最后用小推力噴嘴，修正最后發(fā)射誤差，把衛(wèi)星送到靜止衛(wèi)星軌道上。第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日§2.4氣象衛(wèi)星系統(tǒng)氣象衛(wèi)星通常由基本衛(wèi)星系統(tǒng)和探測儀器設(shè)備系統(tǒng)兩部分組成?；拘l(wèi)星系統(tǒng)的任務(wù)是保障探測系統(tǒng)正常工作，包括衛(wèi)星姿態(tài)控制，能源的供給，溫度控制和指令通訊系統(tǒng)。探測設(shè)備系統(tǒng)是各種探測儀器。

1、衛(wèi)星的姿態(tài)

衛(wèi)星的姿態(tài)是指衛(wèi)星在空間相對于軌道平面，地球表面或任何坐標系的固定取向，它決定衛(wèi)星儀器對地面的觀測方式和資料的可利用性。儀器正對地面觀測，圖片對稱，比例一致。儀器斜對地面觀測，圖片被壓縮或拉長，比例不一，不利于應(yīng)用。為此必須對衛(wèi)星的姿態(tài)作控制。

（1)自旋穩(wěn)定：衛(wèi)星圍繞自身對稱軸以一定角速度旋轉(zhuǎn)，在沒有空氣阻力下，衛(wèi)星的角動量守恒，自轉(zhuǎn)軸方向始終不變，這種使衛(wèi)星穩(wěn)定下來的方式稱自旋穩(wěn)定。早期的泰羅斯衛(wèi)星采用。“平動式”自旋穩(wěn)定，自旋軸在空間作平動，儀器裝在衛(wèi)星底部，衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)時，只有部分時間取得資料。以后的艾薩和靜止衛(wèi)星采用“滾輪式，自旋穩(wěn)定，自旋軸與軌道平面相垂直，儀器裝在衛(wèi)星側(cè)面，當儀器轉(zhuǎn)到朝向地面時進行觀測，衛(wèi)星能在整個周期內(nèi)獲得資料。

第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日

(2)三軸定向穩(wěn)定：三砷定向穩(wěn)定是衛(wèi)星在三個方向上保持穩(wěn)定。如圖，三個軸是：(a)俯仰軸，與軌道平面垂直，控制衛(wèi)星上下擺動，(b)橫滾軸，平行于軌道平面，且與軌道方向相一致，控制衛(wèi)星左右擺動，(c)偏航軸，指向地球中心，控制衛(wèi)星沿軌道方向運行。在衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)動一圈中，軌道方向改變360°，偏航軸與橫滾軸的方向也要改變360°，才能保持衛(wèi)星姿態(tài)的穩(wěn)定。

第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日

(3)重力梯度穩(wěn)定：由于地球?qū)σ粋€物體的引力隨高度而減小，所以地球重力場是不均勻的，有重力梯度。當衛(wèi)星在重力場內(nèi)運動時，因受重力梯度的作用，使衛(wèi)星趨向一個平衡位置，由此實現(xiàn)重力梯度穩(wěn)定。

2、衛(wèi)星在靜止軌道上位置的控制

由于地球引力的不均勻和太陽、月亮引力的作用，常使衛(wèi)星漂移靜止軌