地球同步衛(wèi)星和太陽(yáng)同步衛(wèi)星

1、地球同步衛(wèi)星和太陽(yáng)同步衛(wèi)星衛(wèi)星氣象學(xué)地球同步衛(wèi)星軌道若衛(wèi)星軌道傾角為 0，赤道平面與軌道平面重合，則衛(wèi)星在 赤道上空，并且衛(wèi)星的軌道周期等于地球的自轉(zhuǎn)周期，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，這種 軌道上的衛(wèi)星相對(duì)地球赤道上某一點(diǎn)不動(dòng)，故又稱靜止衛(wèi)星軌道。 實(shí)現(xiàn)地球同步軌道，必須滿足以下條件： 衛(wèi)星運(yùn)行方向與地球 自轉(zhuǎn)方向相同； 軌道傾角為 0； 軌道偏心率為 0，即軌 道是圓形的； 軌道周期等于 23 小時(shí)56 分 04 秒，即等于地球 自轉(zhuǎn)周期。靜止衛(wèi)星的高度為 35860 公里。事實(shí)上，靜止衛(wèi)星軌道不完全是圓形，帶有一點(diǎn)橢圓形，在 一天當(dāng)中軌道半徑時(shí)大時(shí)小，軌道

2、半徑偏大時(shí)，衛(wèi)星速度減小， 其相對(duì)地球就要向西漂移，否則要向東漂移。另外衛(wèi)星的軌道傾 角也不正好為 0，這時(shí)衛(wèi)星作南北漂移。若衛(wèi)星軌道有點(diǎn)橢圓形， 又有一點(diǎn)傾角，則衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡是上面兩種結(jié)果的合成，使得 每天星下點(diǎn)軌跡為“8”字形。氣象衛(wèi)星氣象和人類的生存密切相關(guān)。一場(chǎng)暴雨或一次臺(tái)風(fēng)沒(méi)有及時(shí) 預(yù)報(bào)，就會(huì)摧毀一年的收成，甚至危及人們的生命。航行的船艦 和飛機(jī)，沒(méi)有氣象預(yù)報(bào)的保證，后果更是不堪設(shè)想。我國(guó)勞動(dòng)人民從生產(chǎn)斗爭(zhēng)的實(shí)踐中，很早就學(xué)會(huì)了從觀天察 地中來(lái)推測(cè)未來(lái)天氣變化的本領(lǐng)。以后，氣球和無(wú)線電探測(cè)儀器 的出現(xiàn)，特別是現(xiàn)代的氣象火箭把氣象儀器送到了幾百公里的高 空，使氣象觀測(cè)前進(jìn)了一大步。但

3、是，無(wú)論用氣球、無(wú)線電設(shè)備， 還是用氣象火箭進(jìn)行氣象觀測(cè)，都有局限性。例如，氣球只能探 測(cè)低空的氣象狀況；氣象火箭只能得到一個(gè)地區(qū)短時(shí)間的氣象資 料。此外，用氣球或氣象火箭進(jìn)行氣象觀測(cè)還受到地理?xiàng)l件的限 制，許多人跡未到的地方的氣象很難進(jìn)行探測(cè)。氣象衛(wèi)星的出現(xiàn)就彌補(bǔ)了上面所說(shuō)的這些氣象觀測(cè)方法的不 足。近地氣象衛(wèi)星離地面的高度一般在 800 公里左右。氣象衛(wèi)星 上裝有電視攝像機(jī)。它能夠拍攝全球的云圖。以前，我們只能從 下往上拍攝云圖，由于上層云被下層云遮住，所以往往拍攝不到 上層云。有了氣象衛(wèi)星，就可以從上往下拍攝云圖。氣象衛(wèi)星上還裝有掃描輻射計(jì)。掃描輻射計(jì)的探頭，能敏感 地探到一定波段的電磁

4、輻射。當(dāng)它對(duì)云層和大氣掃描時(shí)，就能記 下云層和大氣在各個(gè)波段可見(jiàn)光、紅外、微波的輻射強(qiáng)度，轉(zhuǎn)變 成電信號(hào)以后，通過(guò)無(wú)線電波發(fā)送給地面。地面站接收以后，經(jīng) 過(guò)計(jì)算機(jī)處理，就可以得到云的形狀、云頂高度，大氣溫度和濕 度，海面溫度和冰雹覆蓋面積等。 把氣象衛(wèi)星獲得的氣象資料跟 其他探測(cè)方法獲得的氣象資料一起進(jìn)行綜合分析后，就可以準(zhǔn)確 地預(yù)報(bào)天氣。自 1960 年美發(fā)射 泰羅斯 1 號(hào)第一顆氣象衛(wèi)星以來(lái)，世界上 發(fā)射了許多類型的氣象衛(wèi)星，至今，美國(guó)和蘇聯(lián)已經(jīng)發(fā)射了 100 多顆氣象衛(wèi)星。70 年代中期，根據(jù)世界氣象組織和國(guó)際科學(xué)協(xié)會(huì)制定的全球 大氣研究計(jì)劃，由美國(guó)、歐洲、日本和蘇聯(lián)發(fā)射各種氣象衛(wèi)星，

5、組成全球氣象衛(wèi)星觀測(cè)網(wǎng)。觀測(cè)網(wǎng)由五顆地球同步軌道氣象衛(wèi)星 和兩顆離地面800900公里高度的極軌道氣象衛(wèi)星組成。5顆地 球同步軌道氣象衛(wèi)星的位置為 0。、東經(jīng) 140和 70、西經(jīng) 75 和 135，分別由歐洲空間局、日本和美國(guó)發(fā)射。1977 年發(fā)射的位于東經(jīng) 140赤道上空的日本靜止氣象衛(wèi)星能 觀測(cè)從東經(jīng) 8到西經(jīng) 160，南、北緯各 5的廣大地區(qū)，包括 太平洋、印度洋東部、東亞大陸和大洋洲。我國(guó)也在日本靜止氣 象衛(wèi)星的觀測(cè)范圍內(nèi)。我國(guó)已經(jīng)研制成接收裝置，接收日本靜止 氣象衛(wèi)星的云圖，用于我國(guó)的天氣預(yù)報(bào)。我國(guó)于 1988 年 9 月首次發(fā)射太陽(yáng)同步軌道試驗(yàn)氣象衛(wèi)星風(fēng) 云一號(hào)。 風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星軌

6、道高度 900 公里，軌道傾角 99，衛(wèi) 星質(zhì)量為 750 公斤，星體呈盒子形，高回 1.76 米。星體兩側(cè)各有 一塊太陽(yáng)電池翼，翼展寬 8.6 米。太陽(yáng)電池翼上共貼有 2 X 2 平 方厘米的硅太陽(yáng)電池 14256 片。衛(wèi)星上裝有可見(jiàn)光和紅外輻射計(jì)， 工作夜 5 個(gè)波段，其中 1 個(gè)波段為紅外，其余 4 個(gè)波段均在可見(jiàn) 光范圍內(nèi)?？梢匀找褂^測(cè)云層、陸地和海面溫度等。輻射計(jì)獲得 的圖像地面中心分辨率為 1.l 公里，邊緣分辨率 4 公里。之后， 又成功發(fā)射了風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星。衛(wèi)星氣象學(xué)近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道所謂太陽(yáng)同步軌道是指衛(wèi)星的軌道平面和太陽(yáng)始終保持相對(duì) 固定的取向。由于這種軌道的傾角接近

7、 90，衛(wèi)星要在極地附近 通過(guò)，所以又稱它為近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道。為保持軌道平面 始終與太陽(yáng)保持固定的取向，在衛(wèi)星隨地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，軌道 平面每天要自西向東作大約 1的轉(zhuǎn)動(dòng)。但是若地球是個(gè)均勻球 體，當(dāng)?shù)厍蚶@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，軌道平面隨地球作平動(dòng)，則軌道平面 不能保持與太陽(yáng)有固定的取向。事實(shí)上由于地球是個(gè)扁橢球體， 這種扁橢球體上的各點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的引力不等，使衛(wèi)星的軌道平面繞 地軸朝著與衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)相反方向旋轉(zhuǎn)，即軌道平面的進(jìn)動(dòng)。若選定 合適的傾角（大于 90）使衛(wèi)星軌道平面的進(jìn)動(dòng)為 1，正好使 軌道平面與太陽(yáng)始終保持固定的取向。這樣就實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)同步軌 道。在這種軌道上的衛(wèi)星以固定的地方時(shí)觀測(cè)地球大氣，

8、有較固 定的光照條件。對(duì)獲取可用的資料、資料的接收、軌道的計(jì)算等 都十分方便。通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星是用來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線電通信的衛(wèi)星。在通信衛(wèi)星出現(xiàn)之前，地球上遠(yuǎn)距離的兩地之間要進(jìn)行通信 有兩種方法；一種是利用電纜，另一種是用地面無(wú)線電設(shè)備。用 電纜進(jìn)行通信，保密性好，傳輸也比較穩(wěn)定，但是敷設(shè)和維護(hù)電 纜的成本昂貴。用無(wú)線電進(jìn)行通信，按照無(wú)線電波波長(zhǎng)的不同， 可以分為三種。最早使有的是長(zhǎng)波波段（波長(zhǎng)從 10000 米到 1000 米）。這種波主要是沿地面?zhèn)鞑?，由于大地?duì)電波的吸收作用， 使電波強(qiáng)度隨傳播距離的增加而迅速衰減。為了彌補(bǔ)這種衰減損 失，發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率必須高達(dá)幾千瓦，還要把天線架設(shè)在幾百

9、 米高的塔上，所以長(zhǎng)波通信工程巨大。此外，長(zhǎng)波傳輸?shù)男畔⑷?量很小，還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重失真，因此，現(xiàn)在已經(jīng)很少采用無(wú)線電長(zhǎng) 波進(jìn)行通信。后來(lái)人們利用無(wú)線電短波（波長(zhǎng)從 100 米到 10 米） 進(jìn)行通信，這種電波是依靠地球上空的電離層的反射進(jìn)行傳播的。 可是，電離層隨晝夜、季節(jié)和地理位置而變化；另外，電離層還 受到太陽(yáng)活動(dòng)的影響，因此，短波通信很不穩(wěn)定。最近幾十年來(lái)， 人們開(kāi)始廣泛采用無(wú)線電微波進(jìn)行通信。無(wú)線電微波（波長(zhǎng)從1 米到 1 毫米）能傳輸?shù)男畔⑷萘亢艽螅直容^穩(wěn)定。但是，這種 電波像光線一樣只能在視距（看得見(jiàn)）范圍里直線傳播，地球 上兩地相隔很遠(yuǎn)，不在視距范圍里，就無(wú)法利用無(wú)線電微波進(jìn)行

10、直接通信。為了克服這種弱點(diǎn)，人們想出了像接力賽跑那樣的中 繼方法，每隔 50 公里左右設(shè)立一個(gè)中繼站，中繼站接收到前一站 發(fā)來(lái)的無(wú)線電信號(hào)后，進(jìn)行放大，然后再發(fā)向下一站，這樣，可 以把信息傳到很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的地方。但是，設(shè)置許多中繼站，也要耗 費(fèi)巨大的資金，特別是要在崇山峻嶺和浩瀚的大洋上建立中繼站， 就更加困難了。50 年代末，人造地球衛(wèi)星上天以后，人們很快就想到，在遠(yuǎn) 距離通信中可以利用人造衛(wèi)星。美國(guó)于 1960 年8 月發(fā)射了第一顆 這樣的衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星直徑是 30 米，取名回聲 1 號(hào)。實(shí)際上它 是一顆鍍鋁塑料薄膜制成的氣球。由于從這顆衛(wèi)星反射回地面的 無(wú)線電波仍然很微弱，要接收這樣微弱的無(wú)

11、線電波，要求地面接 收站設(shè)有高靈敏度的接收機(jī)，或者要求地面發(fā)射站設(shè)有大功率的 發(fā)射機(jī)。所以用衛(wèi)星來(lái)反射無(wú)線電波進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信仍然有很大 困難。為了加強(qiáng)從衛(wèi)星上反射回地面的無(wú)線電波，人們就把衛(wèi)星 做成像地面上的微波中繼站一樣，衛(wèi)星接收到地面發(fā)來(lái)的無(wú)線電 波以后，進(jìn)行放大，然后再發(fā)向地面。目前工作的通信衛(wèi)星都采 用這種方法。最初，人們只能發(fā)射離地面幾千公里高的通信衛(wèi)星。這種通 信衛(wèi)星保持在地雷通信站上空的時(shí)間很短，一晝夜里面可通信時(shí) 間總共只有幾十分鐘。后來(lái)，人們發(fā)射了一種大橢圓軌道的通信 衛(wèi)星，把衛(wèi)星從遠(yuǎn)地點(diǎn)拉到離地面 30000 多公里的高空。這種衛(wèi) 星保持在地面通信站上空的時(shí)間一晝夜可以達(dá)到

12、十幾小時(shí)，但是 還不能達(dá)到全天通信。1963 年 2 月，美國(guó)首先發(fā)射了一個(gè)地球同 步軌道的通信衛(wèi)星。地球同步軌道衛(wèi)星能固定在地球赤道上空 的某一點(diǎn)，當(dāng)這種衛(wèi)星在地面通信站上空的時(shí)候，就能達(dá)到 24 小 時(shí)的連續(xù)通信。從理論上說(shuō)，如果沿地球赤道上空均勻布置三顆 地球同步軌道的通信衛(wèi)星，那么，除兩極地區(qū)以外，幾乎可以達(dá) 到全球連續(xù)通信。由于地球同步軌道通信衛(wèi)星具有這樣優(yōu)越的通信條件，因此， 它是近 40多年來(lái)發(fā)展最迅速的一種人造地球衛(wèi)星，并且變成了商 用通信工具。1964 年 8 月，正式成立了由 8個(gè)國(guó)家參加的國(guó)際通 信衛(wèi)星財(cái)團(tuán)。從 1965 年 4 月到現(xiàn)在，由這個(gè)財(cái)團(tuán)提供經(jīng)費(fèi)，由 美國(guó)研制

13、發(fā)射了 9 種型號(hào)的國(guó)際通信衛(wèi)星。使用國(guó)際通信衛(wèi)星的 國(guó)家已經(jīng)有 100 多個(gè)。隨著通信業(yè)務(wù)的增加和空間技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)研制了許多不 同用途的通信衛(wèi)星。例如，適用于某一國(guó)家或某一地區(qū)的國(guó)內(nèi)通 信衛(wèi)星；專門為軍事服務(wù)的國(guó)防通信衛(wèi)星；提供船艦使用的海事 通信衛(wèi)星；提供衛(wèi)星測(cè)軌和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母櫤蛿?shù)據(jù)中繼衛(wèi)星；為 家庭提供直接電視廣播服務(wù)的廣播衛(wèi)星等等。美國(guó)從1976年開(kāi)始研制跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRS）。在地 球靜止軌道上適當(dāng)部署三顆跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，則相當(dāng)于把三 個(gè)地面測(cè)控通信站搬到了空間，它能對(duì)軌道高度在20012000公 里范圍內(nèi)的所有用戶衛(wèi)星、載入飛船和空間站實(shí)現(xiàn)連續(xù)跟蹤和數(shù) 據(jù)通信。跟

14、蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星質(zhì)量為 2270 公斤，六面體，兩塊太陽(yáng)電 池板展開(kāi)后寬 17.4 米?？商峁?1850 瓦電功率。星上裝有 KU 波段 和 S 波段合用的兩個(gè)拋物面天線，直徑達(dá) 4.9 米。另外，星上還 裝有一個(gè)工作在 S 波段的相控陣天線，可以同時(shí)為 20 個(gè)用戶衛(wèi)星 服務(wù)。電視廣播衛(wèi)星的無(wú)線電發(fā)射功率比通信衛(wèi)星要大得多。通信 衛(wèi)星的無(wú)線電發(fā)射功率通常只有幾瓦到幾十瓦，而電視廣播衛(wèi)星 的無(wú)線電發(fā)射功率可以達(dá)到幾百瓦。由于電視廣播衛(wèi)星具有這樣 大的無(wú)線電發(fā)射功率，因此地面接收站不需要像通信衛(wèi)星那樣要 有幾十米直徑的拋物面接收天線，而只需要半米或幾米直徑的拋 物面接收天線。電視廣播衛(wèi)星上天，有電視機(jī)的家庭都能直接接 收從電視廣播衛(wèi)星上發(fā)來(lái)的電視節(jié)目。電視廣播衛(wèi)星非常適合于 像我們這樣幅員遼闊、人口眾多均國(guó)家。例如，只要發(fā)射兩顆廣 播衛(wèi)星，不需要像現(xiàn)在這樣龐大的微波干線和許多中繼站，就能 把中央電視臺(tái)的節(jié)目送到廣大的農(nóng)村和山區(qū)。這將大大豐富我們 的科學(xué)文化生活。我國(guó)于 1984 年發(fā)射試驗(yàn)通信衛(wèi)星，之后又成功發(fā)射了多顆地 球同步實(shí)用通信衛(wèi)星。我國(guó)試驗(yàn)通信衛(wèi)星發(fā)射時(shí)質(zhì)量為 900 公斤，進(jìn)入靜止軌道質(zhì) 量為 420 公斤。從遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴口至天線頂端的最大高度為 3. l 米，星體直