第一章 衛(wèi)星運動規(guī)

第一章衛(wèi)星運動規(guī)第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月一、衛(wèi)星主要軌道參數(shù)在氣象衛(wèi)星地面接收處理、計算衛(wèi)星軌道、資料定位等許多工作中常采用地理坐標系。衛(wèi)星的位置用地球上的經(jīng)、緯度表示，這種坐標系經(jīng)度以通過英國格林尼治天文臺的子午線為0°，向東到l80°為東經(jīng)、向西到l80°為西經(jīng)；緯度以赤道為0°，至南北兩極為90°；赤道以南為南緯，以北為北緯。這種坐標固定在地球上隨地球一起轉(zhuǎn)動。第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月衛(wèi)星軌道參數(shù)第3頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月地理坐標中的幾個參數(shù)：①星下點：是指衛(wèi)星與地球中心的連線在地球表面上的交點，用地理坐標的經(jīng)緯度表示。由于衛(wèi)星運動和地球的自轉(zhuǎn)，星下點在地球表面形成一條連續(xù)的運動軌跡．這一軌跡稱為星下點軌跡：第4頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月②升交點和降交點：衛(wèi)星繞軌道飛行一圈有半圈處于升段，半圈處于降段。把軌道的升段與赤道平面的交點稱升交點；軌道降段與赤道平面交點稱降交點。衛(wèi)星由南半球飛往北半球那一段軌道稱軌道的升段；由北半球飛往南半球那一段稱軌道的降段。③截距：由于衛(wèi)星繞地球公轉(zhuǎn)的同時，地球不停地自西向東旋轉(zhuǎn)，所以當衛(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€升交點之間的經(jīng)度差。第5頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月④軌道數(shù)：是指衛(wèi)星從這一個升交點開始后到以后任何一個升交點環(huán)繞地球運行一圈的數(shù)目。從衛(wèi)星入軌到第一個升交點的軌道數(shù)為零條，以后每過一個升交點，軌道數(shù)增加1。⑤傾角這是指衛(wèi)星軌道平面與赤道平面之間的夾角。⑥偏心率e：指軌道的焦距與半長軸之比，它確定了衛(wèi)星軌道的形狀。第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、衛(wèi)星軌道1、按軌道傾角衛(wèi)星的傾角不同，其軌道的用途也不同。按軌道傾角可以將衛(wèi)星分成下面四種：（1）前進軌道如果傾角在0°～90°之間，衛(wèi)星順地球自轉(zhuǎn)方向，由西南向東北或由西北向東南方向運動，這種軌道稱前進軌道或順行軌道。衛(wèi)星每天可以不同時刻觀測某一地區(qū)。我國第一顆人造地球衛(wèi)星的傾角是68.5°，即屬于順行軌道。第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月衛(wèi)星軌道前進軌道后退軌道第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）后退軌道當傾角在90°～l80°之間，衛(wèi)星逆著地球自轉(zhuǎn)方向運行，由東南向西北方向運動，稱后退軌道或逆行軌道。利用后退軌道可以實現(xiàn)太陽同步衛(wèi)星軌道。則衛(wèi)星始終以同一地方時觀測世界各地。第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）赤道軌道當衛(wèi)星傾角為0°或l80°時，衛(wèi)星在赤道上空向東或向西運行，這種軌道稱為赤道軌道。這時衛(wèi)星可以連續(xù)觀測熱帶地區(qū)；當衛(wèi)星的傾角為0°時，衛(wèi)星與地球同向運行，可以實現(xiàn)靜止軌道，對某一固定區(qū)域作連續(xù)觀測。而當傾角為l80°時衛(wèi)星可以較短的時間觀測全球所有熱帶地區(qū)。第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）極地軌道當衛(wèi)星傾角為90°時，衛(wèi)星通過南北兩極，這種軌道稱之極地軌道。利用這種衛(wèi)星軌道可以觀測人類難以到達的兩極地區(qū)。顯然，衛(wèi)星的傾角不同，觀測范圍也不同。如果只對熱帶地區(qū)觀測，可以選取較小傾角的軌道；如果要觀測極地區(qū)域，則要取傾角較大的衛(wèi)星軌道。第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2、按衛(wèi)星高度衛(wèi)星的高度對衛(wèi)星的觀測和壽命有重要影響，若衛(wèi)星的高度高，其受空氣的阻力?。畨勖L，觀測范圍大．但用同樣的儀器．則分辨率要降低，圖片不易清楚。若衛(wèi)星的高度低，雖然可以獲取較清晰的圖片，但因空氣的阻力大，壽命短。所以應根據(jù)需要選取衛(wèi)星高度。按衛(wèi)星的高度將軌道分為三種類型：第12頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）低高度短壽命軌道這種軌道的衛(wèi)星高度約為150～200km，壽命1～3周，大多數(shù)為軍事偵察衛(wèi)星所采用。其可獲得分辨率高、比例尺大的清晰圖片。（2）中高度長壽命軌道這種軌道的衛(wèi)星高度為350～1500km，壽命可達1年以上。氣象衛(wèi)星、陸地衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星等大都采用這種軌道。它對地面有較高的分辨率，又有較長的壽命，能對天氣、海洋、陸地資源等作監(jiān)測。第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）高高度長壽命地球靜止衛(wèi)星軌道這種衛(wèi)星軌道的高度約在35800km左右，受地心引力和空氣阻力很小，衛(wèi)星的壽命可以在幾年以上．主要用于氣象、廣播和通訊等許多領(lǐng)域。第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月3、按衛(wèi)星軌道偏心率按衛(wèi)星的偏心率可以將衛(wèi)星軌道分為圓形和橢圓形衛(wèi)星軌道兩類：（1）圓形軌道當偏心率e=0，衛(wèi)星作等速圓周運動，對衛(wèi)星遙感特別有利。同時對衛(wèi)星軌道的預告和資料的定位十分方便。第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）橢圓形軌道當e≠0時，衛(wèi)星作橢圓形運動，這時衛(wèi)星在不同高度上對大氣進行觀測，可獲取大氣密度或其他有用的資料。利用橢圓形軌道可以發(fā)射高高度衛(wèi)星軌道。第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月三、極軌衛(wèi)星軌道極軌衛(wèi)星軌道（也叫太陽同步衛(wèi)星軌道）指衛(wèi)星的運行的軌道平面與太陽始終保持固定的取向。由于這種衛(wèi)星軌道的傾角接近90°，衛(wèi)星近乎通過極地，所以又稱它為近極地太陽同步衛(wèi)星軌道．通常簡稱極地軌道。極軌衛(wèi)星幾乎以同一地方時(只對軌道的升段或降段)經(jīng)過世界各地?？紤]到衛(wèi)星軌道平面隨地球繞太陽公轉(zhuǎn)的同時．為保持衛(wèi)星的軌道平面始終與太陽保持固定的取向，必須使衛(wèi)星的軌道平面每天自西向東旋轉(zhuǎn)1°(相對于太陽)。第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽同步軌道的實現(xiàn):在衛(wèi)星隨地球繞太陽公轉(zhuǎn)時,軌道平面每天要自西向東作大約1°的轉(zhuǎn)動,若地球是個均勻球體,當?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)時,軌道平面隨地球作平動,則軌道平面不能保持與太陽有固定的取向.但事實上由于地球是個扁橢球體,赤道比兩極長,因此其上各點對衛(wèi)星的引力不等,從而使衛(wèi)星的軌道繞地軸朝著與衛(wèi)星運動相反的方向旋轉(zhuǎn),即軌道平面的進動.若選定合適的傾角(大于90°)使衛(wèi)星軌道平面的進動為1°,正好使軌道平面與太陽始終保持固定的取向.第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點：①軌道預告、資料接收定位都十分方便；②極軌衛(wèi)星可觀測全球，尤其是極地區(qū)域；③能得到穩(wěn)定太陽能，保障衛(wèi)星正常工作。缺點：①時間分辨率低，對某一地區(qū)的觀測時間間隔長，一顆極軌衛(wèi)星的每天只能對同一地區(qū)觀測兩次，不能滿足氣象觀測要求，不能監(jiān)視生命短、變化快的中小尺度天氣系統(tǒng)；②相鄰兩條軌道的觀測資料不是同一時刻的，需要進行同化。第19頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月四、地球靜止衛(wèi)星軌道

如果衛(wèi)星傾角等于0°，赤道平面與軌道平面重合，則衛(wèi)星在赤道上空運行；又若衛(wèi)星的周期正好等于地球自轉(zhuǎn)周期(23小時56分04秒)，衛(wèi)星公轉(zhuǎn)方向與地球自轉(zhuǎn)達方向相同，這樣的衛(wèi)星軌道稱地球同步軌道。若在地面看，這種軌道上的衛(wèi)星好像靜止在天空某一地方，不動似的，所以又把它稱做地球靜止衛(wèi)星軌道。這樣軌道上的衛(wèi)星稱做靜止衛(wèi)星。地球靜止衛(wèi)星軌道是地球同步軌道的特例,它只有一條.第20頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月靜止衛(wèi)星的優(yōu)點：①高度高，視野廣闊，一個靜止衛(wèi)星可以對南北70°S～70°N，東西140個經(jīng)度，約對地球表面積1.7x108km2進行觀測；②靜止衛(wèi)星可對某一固定區(qū)域進行連續(xù)觀測，可以以0.5h或1h提供一張全景圓面圖。在特殊需要時，可每隔3～5min對某個小區(qū)域進行一次觀測；③靜止衛(wèi)星可以監(jiān)視天氣云系的連續(xù)變化，特別是生命短、變化快的中小尺度災害性天氣系統(tǒng)。第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

缺點：①不能觀測南北極區(qū)；②對衛(wèi)星觀測儀器的要求高。第22頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月五、衛(wèi)星觀測儀器

衛(wèi)星觀測地球大氣分主動式和被動式。衛(wèi)星主要采用體積小、重量輕和耗能少的被動式遙感儀器。常見：攝像機輻射儀。攝像方式只能取得白天云圖資料，且分辨率低，自第二代氣象衛(wèi)星都采用輻射儀。輻射儀觀測又分為掃描式和非掃描式。掃描式輻射儀可以獲取較大范圍的觀測資料。而非掃描式輻射儀只能對衛(wèi)星星下點附近觀測，覆蓋面積較小，但空間分辨率高。第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月若按衛(wèi)星資料產(chǎn)品來分，輻射計還可以分成：①成像型輻射儀，這類輻射儀主要是將輻射儀測量到的值轉(zhuǎn)換成圖像，通常具有較高的地面分辨率和大的觀測范圍，所以成像型輻射儀大多是掃描型的，并使用較寬的波長間隔，以得到更多的輻射能，現(xiàn)在的衛(wèi)星云圖都是由這種輻射儀取得的；第24頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月可見光紅外掃描輻射儀第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月②非成像型輻射儀，這種輻射儀主要是獲取探測數(shù)據(jù)，如測量大氣溫度、成分等，這種輻射儀的地面分辨率較低，可以是掃描型，也可以是非掃描型的，所用的光譜通道較多，每個通道的波長間隔很窄，具有高的光譜分辨率；③成像和非成像混合型輻射儀，這是美國靜止衛(wèi)星上曾用過的輻射儀，采用的光譜通道較多，其中一些用于成像，另一些用于如獲取大氣溫度等探測數(shù)據(jù)的目的。第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)、衛(wèi)星儀器的組成衛(wèi)星儀器在空間接收來自地[球大]氣系統(tǒng)自身發(fā)射或反射太陽的輻射，這種測量輻射的儀器稱做輻射儀。下圖所示是一個由掃描儀、光學系統(tǒng)、探測器、信號處理和信號輸出等四部分組成的輻射儀。電子一光學遙感輻射儀的組成部分第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)、衛(wèi)星探測的分辨率衛(wèi)星儀器探測的分辨率是指從衛(wèi)星上能區(qū)別兩個相鄰物體的能力，或者是能分清兩個物體的最短距離。如果兩個物體間距離小于衛(wèi)星探測的分辨率，則這兩個物體不能分辨。表示衛(wèi)星探測分辨率的參數(shù)有三個：空間分辨率灰度分辨率時間分辨率第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月①空間分辨率這是指衛(wèi)星在某一時刻觀測地球的最小面積?？臻g分辨率以由衛(wèi)星觀測到的最小面積的直徑表示，單位為km。衛(wèi)星的空間分辨率與衛(wèi)星的高度有關(guān)，衛(wèi)星的高度越高，在同樣的瞬時視場下，觀測面積增大，空間分辨率下降。此外它還與衛(wèi)星的視角有關(guān)，視角傾斜，觀測面積增大，分辨率下降。第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于實際使用的衛(wèi)星云圖的分辨率與衛(wèi)星探測分辨率是有區(qū)別的，云圖上的分辨率取決于圖片上的掃描線的數(shù)目。如果衛(wèi)星云圖分辨率等于衛(wèi)星探測分辨率，則稱這種云圖為原分辨率或全分辨率云圖。第30頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月②灰度分辨率或溫度分辨率在紅外或可見光云圖上，當兩個瞬時視場內(nèi)目標物的溫度或反照率有差異，并達到一定數(shù)值時，這兩個視場就能被分辨，這個能分辨的最小溫度差或反照率差值稱之溫度分辨率或灰度分辨率。對于紅外譜段，通常用等效噪聲溫度差NE△T表示，如果鄰接視場的溫度差越大，則越容易區(qū)別它們。如在紅外云圖上，卷云、積雨云與地面的溫度差很大，很容易區(qū)分它們，又如低云與地面的溫差較小，就不易區(qū)別它們。第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月衛(wèi)星云圖的分辨率大小還與目標物的溫度有關(guān)如目標物的溫度為300K時，NE△T≈0.3K，而當目標物溫度為l85K時，NE△T≈1.4K。第32頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月③時間分辨率時間分辨率是指衛(wèi)星對同一地區(qū)觀測的時間間隔。其與衛(wèi)星的掃描速率、掃描區(qū)域和選用的衛(wèi)星軌道等有關(guān)。例如:極軌衛(wèi)星每l2小時對全球進行一次觀測靜止衛(wèi)星每隔半小時對某一固定區(qū)域進行一次觀測。高的時間分辨率可以觀測變化快、生命短的目標物。第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月幾類常用衛(wèi)星觀測時刻和時間分辨率第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月六、衛(wèi)星的空間掃描方式衛(wèi)星在空間對地觀測主要依靠掃描鏡或探測器陣列在一維或二維方向上掃描景物。衛(wèi)星對地掃描的方式大致有以下四種：(1)單個探測器線掃描(a)(2)多探測器掃描(b)(3)線性陣列探測器前推式掃描(c)(4)圓錐掃描(d)第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月衛(wèi)星的掃描方式單個探測器線掃描線性陣列探測器前推式掃描多探測器掃描圓錐掃描第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月七.衛(wèi)星運動規(guī)律1.衛(wèi)星的受力:萬有引力,離心力,摩擦力,光壓力,磁場等.(后三種受力與萬有引力相比很小)第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月對衛(wèi)星進行受力分析時的假設(shè)如下:地球為均質(zhì)球體,可以把地球作為質(zhì)量集中于地心的質(zhì)點處理.由于衛(wèi)星的大小遠小于地球與衛(wèi)星之間的距離,把衛(wèi)星也作為質(zhì)點處理.衛(wèi)星的質(zhì)量遠小于地球,衛(wèi)星對地球的作用可以忽略不計.忽略其他天體和大氣等對衛(wèi)星的作用力,這時可以把衛(wèi)星作為受地心引力作用下的質(zhì)點加以描述.因此在對衛(wèi)星進行受力分析時,只考慮地球?qū)πl(wèi)星的萬有引力和離心力.第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月衛(wèi)星繞地球運行遵循開普勒行星運動三定律

（1）衛(wèi)星軌道為一橢圓，地球在橢圓的一個焦點上。其長軸的兩個端點是衛(wèi)星離地球最近和最遠的點，分別叫做遠地點和近地點。（2）人造地球衛(wèi)星在橢圓軌道上繞地球運行時，其運行速度是變化的，在遠地點時最低，在近地點時最高。速度的變化服從面積守恒規(guī)律，即衛(wèi)星的向徑（衛(wèi)星至地球的連線）在相同的時間內(nèi)掃過的面積相等。（3）人造地球衛(wèi)星在橢圓軌道上繞地球運行，其運行周期取決于軌道的半長軸（與半長軸的二分之三次方成正比）。不管軌道形狀如何，只要半長軸相同，它們就有相同的運行周期。人造地球衛(wèi)星軌道的形狀和大小由它的半長軸和半短軸的數(shù)值來決定。其半長軸和半短軸的數(shù)值越大，軌道越高；半長軸與半短軸相差越多，軌道的橢圓形越扁長；并長軸與半短軸相等則為圓形軌道。

第39頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月衛(wèi)星的定位在地球和太陽的相對運動中，如果假定地球不動，則太陽繞地球運行，當太陽從地球的南半球向北半球運行時，穿過地球赤道平面的那一點叫春分點。

所謂升交點赤經(jīng)（Ω）就是從春分點到地心的連線與從升交點到地心的連線的夾角.所謂近地點幅角（ω）就是從升交點到地心的連線與從近地點到地心的連線的夾角。

半長軸（a）、偏心率（e）、傾角（i）、升交點赤經(jīng)（Ω）和近地點幅角（ω）被稱為人造地球衛(wèi)星軌道的5要素（或根數(shù)）。要知道衛(wèi)星的瞬時位置，還必須測量它過近地點的時間（z）。有時，把上述6個參數(shù)合稱為人造地球衛(wèi)星軌道的6要素。

第40頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二.衛(wèi)星的入軌速度與軌道的形狀決定衛(wèi)星軌道的因素是火箭把衛(wèi)星送入軌道的一瞬間的速度---入軌速度.衛(wèi)星所受離心力大小決定于衛(wèi)星速度.當速度較小時,離心力小于地心力,物體落回地面而不能成為衛(wèi)星.當物體速度增大到當離心力等于地心引力時,物體就作平衡的圓周運動,不落回地面而成為衛(wèi)星.當物體的速度增大到離心力大于地心引力時