蘭州大學(xué)《衛(wèi)星氣象學(xué)》-衛(wèi)星運動規(guī)律和氣象衛(wèi)星軌道

1、衛(wèi)星氣象學(xué)電子版第一版第二章 衛(wèi)星運動規(guī)律和氣象衛(wèi)星軌道2.1 氣象衛(wèi)星運動規(guī)律2.2 衛(wèi)星軌道參數(shù)和軌道的攝動2.3 氣象衛(wèi)星軌道2.4 衛(wèi)星的發(fā)射章節(jié)內(nèi)容假定：(1)地球，理想球體、均質(zhì)，質(zhì)心在地心；(2)衛(wèi)星質(zhì)量地球質(zhì)量，可忽略；(3)星-地的距離衛(wèi)星本身尺度，質(zhì)點；(4)忽略其它因素對衛(wèi)星的作用力。 2.1 氣象衛(wèi)星運動規(guī)律2.1.1 衛(wèi)星的運動方程衛(wèi)星的受力：萬有引力定律，以地心為原點的地球?qū)πl(wèi)星的引力表示為：式中F(r)表示吸引力， r是衛(wèi)星的矢徑，m是衛(wèi)星質(zhì)量開普勒常數(shù)萬有引力常數(shù)地球質(zhì)量式中 r是衛(wèi)星的矢徑，為幅角。在軌道面上的運動方程為： rv軌道地心開普勒運動三定律開普勒定

2、律是開普勒所發(fā)現(xiàn)、關(guān)于行星運動的定律。他于1609年在他出版的?新天文學(xué)?科學(xué)雜志上發(fā)表了關(guān)于行星運動的兩條定律，又于1618年，發(fā)現(xiàn)了第三條定律。開普勒的三條行星運動定律改變了整個天文學(xué)，徹底摧毀了托勒密復(fù)雜的宇宙體系，完善并簡化了哥白尼的日心說。約翰內(nèi)斯開普勒 Johannes Kepler 1571-1630德國物理學(xué)家開普勒第一定律，也稱橢圓定律、軌道定律： 每一個行星都沿各自的橢圓軌道環(huán)繞太陽，而太陽那么處在橢圓的一個焦點中。 對衛(wèi)星而言，其運動軌道是一圓錐曲線圓或橢圓，地球位于其中一個焦點上。橢圓軌道圓軌道雙曲線軌道拋物線軌道解方程組得 A， 為積分常數(shù)。如果，令p=h2/ ， e

3、=Ap偏心率 ，得圓錐曲線,力心位于焦點上。衛(wèi)星軌道可以是圓錐曲線的一種當(dāng)e=0，r p ，軌道為圓。當(dāng)e1, 橢圓軌道，以地心為焦點, 焦點與橢圓中心不重合。e=c/a偏心率，a半長軸，c是焦距。p= a(1 - e2) 近地點矢徑rp= a1- e 遠地點矢徑ra= a1+ e當(dāng)e=1, 衛(wèi)星脫離地球引力，拋物線軌道當(dāng)e1, 衛(wèi)星脫離太陽系引力，雙曲線軌道 開普勒第二定律，也稱等面積定律： 在相等時間內(nèi)，太陽和運動著的行星的連線所掃過的面積都是相等的。這一定律實際揭示了行星繞太陽公轉(zhuǎn)的角動量守恒。用公式表示為： 對衛(wèi)星的運動，在相等的時間內(nèi)衛(wèi)星的矢徑在地球上空掃過的面積相等。衛(wèi)星的矢徑在相

4、等時間內(nèi)掃過的面積相等即面積速度為常數(shù)角速度： = d/dt rv軌道地心=常數(shù)衛(wèi)星在橢圓軌道上的總能量為： 衛(wèi)星活力公式總能量動能勢能橢圓軌道半長軸因此，衛(wèi)星在軌道上的運行速度為 在橢圓軌道上在圓軌道上V近=(2/r近1/a)1/2=( /a)(1 +e)/(1 e) V遠=(2/r遠1/a)1/2 =( /a)(1 e)/(1+ e) V圓=/r圓1/2= /R+H 1/2衛(wèi)星飛行速度換言之，衛(wèi)星在地心引力下作圓周運動： GMm/r2向心力= mv2/r離心力 也有：v =GM/r1/2= /R+H 1/2角速度： = d/dt 由于面積速度為常數(shù)，所以： r小，大。在近地點p，r最小，

5、最大； r大，小。在遠地點a，r最大， 最小。衛(wèi)星在軌道上運行的角速度ap 開普勒第三定律，也稱周期定律： 各個行星繞太陽公轉(zhuǎn)周期的平方和它們的橢圓軌道的半長軸的立方成正比。由這一定律可以導(dǎo)出：行星與太陽之間的引力與半徑的平方成反比。這是牛頓的萬有引力定律的一個重要根底。公式表示為：衛(wèi)星軌道周期的平方與軌道半長軸的立方成正比。衛(wèi)星軌道周期的平方與軌道半長軸的立方成正比。T2 = 42a3 / 衛(wèi)星軌道周期：指衛(wèi)星在軌道上運行一周的時間T2 = 42(R+H)3 / 譬如： FY-2, H=35860km, T=24小時1. 橢圓軌道2. 圓軌道2.1.2 衛(wèi)星的入軌速度與軌道的形狀 衛(wèi)星的軌道

6、形狀只取決于火箭把衛(wèi)星送入軌道的瞬間速度入軌速度。衛(wèi)星在地心引力下作圓周運動： GMm/r2= mv2/r 環(huán)繞速度環(huán)繞速度是指衛(wèi)星在不同高度上做圓軌道運動所具有的速度。取r=R=6370km，有v=V1=7.912 km/s 第一宇宙速度這是衛(wèi)星在地面入軌時所需的最小速度。此時衛(wèi)星可在貼地面附近繞地球作圓軌道運動。 假設(shè)v 離心力而落向地面。 假設(shè)v V1，那么離心力向心力而脫離半徑為6370km的圓軌道。一、衛(wèi)星實現(xiàn)圓軌道運動的條件 當(dāng)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a，衛(wèi)星就演變?yōu)樘栃行?，而軌道成為拋物線形。由活力公式得：這是衛(wèi)星要從地外表脫離地球引力場所需

7、要的速度，稱第二宇宙速度逃逸速度。它是地面發(fā)射一顆行星所需要的最小速度。 因此，實現(xiàn)橢圓軌道的條件為： v1 v橢 90,實現(xiàn) =-0.985/天 來抵消軌道面的相對運動，即可實現(xiàn)近極地太陽同步衛(wèi)星軌道。如，,即可實現(xiàn)。 =10*COS(RADIANS(98.7)*(6370/(6370+830)3.5= -0.985 圓形軌道進動率： 10 cosi *(R/R+H i0,進動自東向西； i90, 0,進動自西向東.NS3近極地太陽同步衛(wèi)星軌道的實現(xiàn)3、太陽同步軌道的特點優(yōu)點：軌道為圓形，軌道預(yù)告、接收和資料定位方便；可實現(xiàn)包含極地的全球觀測；在觀測時有適宜的太陽照明，有利于資料處理和使用；

8、儀器可以得到充分的太陽能供給。缺點：對中低緯度同一地點觀測的時間間隔太長相對于GEO)，不利對中小尺度天氣系統(tǒng)的監(jiān)測；相臨兩條軌道的觀測資料時間差達100多分鐘，拼圖不利。4、衛(wèi)星食和太陽干擾1靜止衛(wèi)星的衛(wèi)星食太陽軌道地球衛(wèi)星太陽軌道衛(wèi)星地球a圖2-12 靜止衛(wèi)星的蝕示意圖2太陽干擾 如圖2-12a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。 20 10 0 10 2070605040302010每次衛(wèi)星蝕時間/分鐘從春（秋）分算起（b）2.3.4 其他軌道研究與開展which

9、 orbit between certain latitudes a few hundred km above the surface (lower Earth orbits)- Example: The TRMM orbit is circular and is at an altitude of 350 km and an inclination of 35 degrees to the Equator. TRMM flies over each position on the Earths surface at a different local time each day. So it

10、 is good for diurnal variation studies.現(xiàn)代衛(wèi)星觀測系統(tǒng)用于數(shù)值天氣預(yù)報的衛(wèi)星數(shù)據(jù)Quikscat ocean surface wind vectorsAVHRR SSTAVHRR vegetation fractionAVHRR surface typeMulti-satellite snow coverMulti-satellite sea iceSBUV/2 ozone profile and total ozoneAltimeter sea level observations (ocean data assimilation)AIRSMODIS

11、WindsCOSMICHIRS sounder radiancesAMSU-A sounder radiancesAMSU-B sounder radiancesGOES sounder radiancesGOES, Meteosat, GMS windsGOES precipitation rateSSM/I precipitation ratesTRMM precipitation ratesSSM/I ocean surface wind speedsERS-2 ocean surface wind vectors 極地軌道衛(wèi)星的發(fā)射過程2.4 衛(wèi)星的發(fā)射和衛(wèi)星技術(shù)1垂直上升段 2轉(zhuǎn)彎飛

12、行段3自由飛行段 4衛(wèi)星入軌段 靜止軌道衛(wèi)星的發(fā)射過程1發(fā)射至低高度軌道暫定軌道或初始軌道2運行至與赤道面相交處，點燃近地點發(fā)動機，使衛(wèi)星進入遠地點高度為35860km的橢圓軌道轉(zhuǎn)移軌道3運行至遠地點赤道上空，點燃遠地點發(fā)動機，使衛(wèi)星獲得速度增量，偏離橢圓軌道，進入預(yù)定圓形軌道飄逸軌道或近靜止軌道，修正誤差，進入靜止衛(wèi)星軌道 衛(wèi)星技術(shù)參考教材現(xiàn)有的靜止業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星發(fā)射國家過去新一代美國GOES-8GOES N-R主要功能 三軸穩(wěn)定、5通道成像儀、100010002，40秒觀測一次，紅外垂直探測器10通道成像儀、干涉式紅外線分光、太陽X射線成像儀、閃電 成像儀云圖、云跡風(fēng)、溫、濕廓線、云參數(shù)、O

13、LR、SST云圖、云跡風(fēng)、高垂直分辨率T、 P、Q廓線、云參數(shù)、OLR、SST、地表特征、閃電分布歐洲氣象衛(wèi)星組織METEOSATMSG主要功能自旋穩(wěn)定、3通道可見、紅外成像儀自旋穩(wěn)定、12通道可見、紅外成像儀云圖、云跡風(fēng)、OLR、 SST、云參數(shù)云圖、云跡風(fēng)、OLR、SST云參數(shù)、地表特征2.5 氣象衛(wèi)星開展狀況GOES 衛(wèi)星地球同步環(huán)境衛(wèi)星GOES-R衛(wèi)星第三代METEOSAT 衛(wèi)星MSG歐洲二代衛(wèi)星發(fā)射國家過去現(xiàn)在日本GMSMTSAT主要功能自旋、4通道可見紅外自旋掃描成像儀三軸穩(wěn)定、5通道可見紅外成像儀、航空管制云圖、云跡風(fēng)、OLR、SST、云參數(shù)、對流層中上部水汽量云圖、云跡風(fēng)、云參

14、數(shù)、OLR、SST、地表特征、閃電分布中國FY-2FY-2主要功能自旋、3通道可見紅外成像儀自旋、5通道可見紅外成像儀云圖、云跡風(fēng)、OLR、SST、云參數(shù)、對流層中上部水汽量云圖、云跡風(fēng)、OLR、SST云參數(shù)、對流層中上部水汽量、晴空水汽量現(xiàn)有的靜止業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星GMS 衛(wèi)星MTSAT(日本二代)衛(wèi)星FY-2衛(wèi)星發(fā)射國家現(xiàn) 狀未 來 發(fā) 展 美國 NOAA-15-（第五代）NPOESS（軍民合用）主要功能AVHRR-3、ATOVS可見紅外線成像儀、微波成像儀、紅外微波大氣探測器、O3 成像廓線儀、GPS OS圖像、SST、NDVI、云參數(shù)、冰雪、水體、高溫?zé)嵩?、全天候T、P、Q廓線、O3圖像、S

15、ST、NDVI和LAI、冰雪、水體、高溫?zé)嵩?、云參?shù)（粒徑、相態(tài)、含水量）、土地利用、海洋水色、高垂直分辨率T、P、Q廓線、O3圖像和廓線、電離層電子濃度、平流層中層的T、P、廓線現(xiàn)有和未來極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星NOAA-K 衛(wèi)星NPOESS 衛(wèi)星模型現(xiàn)有和未來極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星發(fā)射國家現(xiàn) 狀未 來 發(fā) 展中 國FY-1C、D，F(xiàn)Y-3FY-5主要功能10通道可見光、紅外掃描輻射儀可見紅外線成像儀、高分辨率紅外分光計、微波成像儀、微波輻射儀、紫外臭氧探測器、中分辨率成像光譜輻射儀圖像、SST、NDVI、海洋水色、云參數(shù)、冰雪、水體、高溫?zé)嵩磮D像、SST、NDVI和LAI、冰雪、水體、高溫?zé)嵩础⒃茀?shù)（

16、粒徑、相態(tài)、含水量）、土地利用、海洋水色、全天候溫壓濕度廓線、O3FY-1衛(wèi)星 發(fā)射國家現(xiàn) 狀 未 來 發(fā) 展歐洲氣象衛(wèi)星組織無METOP主要功能無基本同NPOESSMETOP NPOESS 將組成的極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星現(xiàn)有和未來極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星極軌業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星續(xù)熱帶觀測衛(wèi)星TRMM衛(wèi)星、傾角35度、高度350KM, 觀測測儀器及參數(shù)如下： 儀 器分辨率頻率（波長）掃描寬度微波輻射儀10KM19.37GHz600KM雷達4KM14GHz220KMVIS/IR掃描輻射儀1KM0.5-0.7/10- 12m600KM觀測試驗衛(wèi)星衛(wèi) 星探 測 器主 要 任 務(wù)EOS-Terra (AM)中分辨成像光譜儀

17、(MODIS)、熱輻射反射輻射計(ASTER)、云和地球輻射能量系統(tǒng)(CERES)、污染測量儀（MOPITT）、多角度成像光譜儀（MISR）全球環(huán)境監(jiān)測EOS-Aqua (PM)干涉紅外線探測器、改進的微波探測儀、溫度計、多頻微波成像儀、云輻射和MODIS同上全球環(huán)境監(jiān)測 EOS-Color （水色）SeaWIFS （海洋寬視場探測器）全球海洋水色監(jiān)測 EOS-Aero （氣溶膠）57傾角，平流層氣溶膠實驗（SAGE IV）全球氣溶膠監(jiān)測 EOS-ALT （測高）高度計、地球科學(xué)激光測距系統(tǒng)GPS地球科學(xué)儀（GGI）海面/海冰/陸地拓樸 EOS-Chem (化學(xué))Stick散射計、對流層輻射光

18、譜儀、高分辨動態(tài)分層探測器、SAGE器全球大氣化學(xué)成份監(jiān)測 地球觀測系統(tǒng)(EOS) 國際全球變化研究 方案(GCRP)的主要成果EOS-Terra(AM)各類遙感探測器的主要觀測功能學(xué)科探測內(nèi)容遙感探測器學(xué)科探測內(nèi)容遙感探測器大氣云性質(zhì)MODIS, MISR, ASTER海洋海表溫度MODIS輻射能CERES, MODIS, MISR浮游植物可溶性有機物表面風(fēng)場海面高度MODISMISR降水、平流層化學(xué)、對流層化學(xué)MOPITT氣溶膠MIS, MODIS大氣溫、濕度MODIS冰雪圈陸地冰的變化ASTER陸地陸地覆蓋和土地利用變化MODIS, MISR, ASTER植被、地表溫度MODIS, MI

19、SR, ASTER海冰雪覆蓋MODISASTER火災(zāi)發(fā)生率MODIS, ASTER火山效應(yīng)MODIS, STER太陽太陽總輻射CERES,MODIS,MISR地表濕度MODIS, ASTER海洋衛(wèi)星 1、探索試驗階段(1974-1978) 在NOAA和Landsat衛(wèi)星上進行探測試驗。2、實驗研究階段(1978-1985) SeaSat(1978.6) Nimbus(1978.10) SeaSat 上有5臺遙感探測器: 合成孔徑雷達(SAR)； 雷達高度計ALT； 微波散射計SASS； 多通道掃描微波輻射計SMMR； 可見光紅外輻射計VIRR探測對象：海面風(fēng)場、浪場、流場、海溫、極區(qū)海冰、海平

20、面高度、水陸分界等 Nimbus-7上用于海洋探測的遙感器： 海岸帶水色掃描儀CZCS；多波段微波輻射計SMMR； 探測對象：海水葉綠素，懸浮泥沙，有色可溶有機物，海水 污染物，水質(zhì)，海面溫度，海冰3、 應(yīng)用研究階段1985- 以SeaStar，GeoSat,Mos等衛(wèi)星發(fā)射為標志 陸地衛(wèi)星 美國的LandSat系列： Landsat-1 1972- Landsat-71999 法國的SPOT系統(tǒng)： SPOT-11986- SPOT-41998 印度的IRS系列： IRS-11988 - IRS-41998 此外，日本、歐空局、中國、以色列和加拿大等國均發(fā)射了以陸地資源遙感為主要任務(wù)的專用衛(wèi)星。其他星載遙感探測器可分為：地表探測可見近紅外輻射儀VNIR分辨率5-30m改進的星載熱發(fā)射和反射輻射儀ASTER，15m，30m 和 90m高分辨率全色波段的分辨率為1-5m，以色列 OFER等高光譜分辨率5-10nm，如成像光譜儀36-256個波段，30-1000m分辨率 合成孔徑雷