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

1、第二章第二章 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)規(guī)律和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)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(dòng)、衛(wèi)星軌道參數(shù)和軌道的攝動(dòng)2、氣象衛(wèi)星軌道的分類(lèi)、氣象衛(wèi)星軌道的分類(lèi) 2.1 衛(wèi)星軌道參數(shù)和軌道的攝動(dòng) 1、 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌跡 將行星運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用于人造衛(wèi)星（求解衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程），可得衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的三個(gè)定律（開(kāi)普勒三大定律）： 衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)軸，c：焦距 P，半通經(jīng) ：矢徑與半長(zhǎng)軸的夾角，稱(chēng)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?chē)鷴哌^(guò)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(zhǎng)軸的立方成正比； （諧和定律）即: 423Ta32aT eGM數(shù)：開(kāi)普勒常數(shù)，軌道?；蛘撸?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(dòng)所具有的速度，稱(chēng)環(huán)繞速度。是衛(wèi)星在不同高度上作圓軌道運(yùn)動(dòng)所具有的速度，稱(chēng)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(chēng)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(chēng)為第一宇宙速度。 衛(wèi)星在某高度做圓軌道運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)。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(dòng)。2)衛(wèi)星做橢軌道運(yùn)動(dòng)所需的條件衛(wèi)星做橢軌道運(yùn)動(dòng)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(chǎng)，即引力場(chǎng)，即，這時(shí)對(duì)速度的要求這時(shí)對(duì)速度的要求可見(jiàn)當(dāng)衛(wèi)星速度達(dá)到可見(jiàn)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(dòng)的入軌速度條件線了。因此衛(wèi)星作橢圓軌道運(yùn)動(dòng)的入軌速度條件：其中其中Cp稱(chēng)做拋物線速度，稱(chēng)做拋物線速度，即即11.2km/s，這個(gè)速度稱(chēng)，這個(gè)速度稱(chēng)第二宇宙速度第二宇宙速度，又稱(chēng)逃，又稱(chēng)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(yáng)引力，則衛(wèi)星脫離太陽(yáng)系進(jìn)入如果衛(wèi)星的離心力進(jìn)一步增大到大于太陽(yáng)引力，則衛(wèi)星脫離太陽(yáng)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(dòng)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(dòng)規(guī)律，通常采用天球坐標(biāo)系描述衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。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(dòng)。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?lè)较蚨攘?，以表示，赤?jīng)以春分點(diǎn)為起點(diǎn)，反時(shí)針?lè)较蚨攘?，?360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(chēng)衛(wèi)星軌道的：衛(wèi)星由南半球飛往北半球那一段軌道稱(chēng)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(chēng)軌道的；由北半球飛往南半球那一段衛(wèi)星軌道稱(chēng)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(chēng)交點(diǎn)稱(chēng)升交點(diǎn)升交點(diǎn)；軌道降段與赤道平面的交點(diǎn)稱(chēng)；軌道降段與赤道平面的交點(diǎn)稱(chēng)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(duì)于太陽(yáng)表示，它表示了軌道平面的位置，也表示了軌道平面相對(duì)于太陽(yáng)的取向。（圖中的取向。（圖中ON，也稱(chēng)節(jié)線，軌道平面與赤道平面的交線），也稱(chēng)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(zhǎng)軸之比。指軌道的焦距與半長(zhǎng)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(zhǎng)軸的方向。確定了軌道半長(zhǎng)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(guò)英國(guó)格林威治天文臺(tái)的子午過(guò)英國(guó)格林威治天文臺(tái)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(dòng)。下面介紹幾個(gè)地理一起

11、轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)軌跡，這一軌跡稱(chēng)為星下點(diǎn)軌跡；跡稱(chēng)為星下點(diǎn)軌跡；星下點(diǎn)軌跡是衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)星下點(diǎn)軌跡是衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)和地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成。和地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)過(guò)的度數(shù)稱(chēng)之為截距?？梢?jiàn)截距是兩個(gè)升交點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)過(guò)的度數(shù)稱(chēng)之為截距?？梢?jiàn)截距是兩個(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(kāi)始后到以后任何：是指衛(wèi)星從這一個(gè)升交點(diǎn)開(kāi)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(guò)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(guò)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(dòng)、衛(wèi)星軌道的攝動(dòng)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(dòng)力高層大氣的氣動(dòng)力l日、月引力日、月引力l太陽(yáng)光輻射壓力太陽(yáng)光輻射壓力衛(wèi)星的軌道參數(shù)隨時(shí)間緩慢變化，和開(kāi)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(kāi)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(dòng)。 1 1）、由于地球橢圓形狀引起的攝動(dòng)）、由于地球橢圓形狀引起的攝動(dòng) 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(huì)給衛(wèi)星軌道以攝動(dòng)，使得衛(wèi)星橢球體，赤道鼓起部分會(huì)給衛(wèi)星軌道以攝動(dòng)，使得衛(wèi)星的軌道平面繞

14、地軸緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)，軌道平面的主軸也在旋的軌道平面繞地軸緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)方向自西向東，軌道平面的進(jìn)動(dòng)方向自西向東。 2 2）、空氣阻力對(duì)衛(wèi)星軌道的影響）、空氣阻力對(duì)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(dòng)能不斷損耗，軌道日益縮小，偏心率力使衛(wèi)星的動(dòng)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(yáng)、月球引力對(duì)衛(wèi)星軌道的影響）、太陽(yáng)、月球引力對(duì)衛(wèi)星軌道的影響日月引力攝動(dòng)因太陽(yáng)和月亮對(duì)衛(wèi)星引力加速度與對(duì)日月引力攝動(dòng)因太陽(yáng)和月亮對(duì)衛(wèi)星引力加速度與對(duì)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(yáng)和月球?qū)ζ涞囊筒豢僧?dāng)衛(wèi)星高度較高時(shí)，太陽(yáng)和月球?qū)ζ涞囊筒豢珊鲆?，如靜止衛(wèi)星高度，可超過(guò)地球扁率攝動(dòng)，成忽視，如靜止衛(wèi)星高度，可超過(guò)地球扁率攝動(dòng)，成為主要的攝動(dòng)因素。為主要的攝動(dòng)因素。4 4）、太陽(yáng)光壓攝動(dòng)）、太陽(yáng)光壓攝動(dòng)阻繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星受到太陽(yáng)的直接輻射、地球阻繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星受到太陽(yáng)的直接輻射、地球反射的太陽(yáng)輻射和

16、地球發(fā)射出的輻射能量的作用反射的太陽(yáng)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(lèi)型一、氣象衛(wèi)星軌道類(lèi)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(lèi)、按軌道傾角分類(lèi)（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(dòng)。向運(yùn)動(dòng)。（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(yáng)同步衛(wèi)星軌道）方向運(yùn)行。（可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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(guò)南北兩極。度，衛(wèi)星通過(guò)南北兩極。衛(wèi)星的傾角不同，觀測(cè)范圍也不衛(wèi)星的傾角不同，觀測(cè)范圍也

18、不同。如果只對(duì)熱帶地區(qū)觀測(cè)，可同。如果只對(duì)熱帶地區(qū)觀測(cè)，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(cè)極地區(qū)域，則要取傾角較大觀測(cè)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(yáng)同步衛(wèi)星軌道二、近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道：指衛(wèi)星的軌道平面與太陽(yáng)始終：指衛(wèi)星的軌道平面與太陽(yáng)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(guò)極地，故又稱(chēng)為衛(wèi)星幾乎通過(guò)極地，故又稱(chēng)為近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道軌道。簡(jiǎn)稱(chēng)。簡(jiǎn)稱(chēng)極地軌道極地軌道太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道的實(shí)現(xiàn)：太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道的實(shí)現(xiàn)：太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道的優(yōu)缺點(diǎn)：太陽(yáng)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