揭开气象卫星轨道的奥秘

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一、卫星主要轨道参数,在气象卫星地面接收处理、计算卫星轨道、,资料定位等许多工作中常采用地理坐标系。,卫星的位置用地球上的经、纬度表示，这,种坐标系经度以通过英国格林尼治天文台,的子午线为,0,，向东到,l80,为东经、向,l80,为西经；纬度以赤道为,0,，至,南北两极为,90,；赤道以南为南纬，以北,为北纬。这种坐标固定在地球上随地球一,起转动。,1,卫星轨道参数,lll,2,地理坐标中的几个参数,：,星下点：,是指卫星与地球中心的连线在,地球表面上的交点，用地理坐标的经纬度,表示。由于卫星运动和地球的自转，星下,点在地球表面形成一条连续的运动轨,迹这一轨迹称为星下点轨迹：,3,升交点和降交点：,卫星绕轨道飞行一圈有,半圈处于升段，半圈处于降段。把轨道的升,段与赤道平面的交点称升交点；轨道降段与,赤道平面交点称降交点。卫星由南半球飞往,北半球那一段轨道称轨道的升段；由北半球,飞往南半球那一段称轨道的降段。,截距：,由于卫星绕地球公转的同时，地球,不停地自西向东旋转，所以当卫星绕地球转,一周后，地球相对卫星转过的度数称之为截,距。可见截距是两个升交点之间的经度差。,4,轨道数,：是指卫星从这一个升交点开始,后到以后任何一个升交点环绕地球运行一,圈的数目。从卫星入轨到第一个升交点的,轨道数为零条，以后每过一个升交点，轨,道数增加,1,。,倾角,这是指卫星轨道平面与赤道平面之,间的夹角。,偏心率,e,：指轨道的焦距与半长轴之比，,它确定了卫星轨道的形状。,5,二、卫星轨道,1,、按轨道倾角,卫星的倾角不同，其轨道的用途也不同。按,轨道倾角可以将卫星分成下面四种：,（,1,）前进轨道,如果倾角在,0,90,之间，卫星顺地球自,转方向，由西南向东北或由西北向东南方向,运动，这种轨道称,前进轨道,或,顺行轨道,。卫,星每天可以不同时刻观测某一地区。我国第,一颗人造地球卫星的倾角是,68.5,，即属于,顺行轨道。,6,卫星轨道,前进轨道,后退轨道,7,（,2,）后退轨道,当倾角在,90,l80,之间，卫星逆着,地球自转方向运行，由东南向西北方向运动，称,后退轨道,或,逆行轨道,。利用后退轨道可以实现太阳同步卫星轨道。则卫星始终以,同一地方时,观测世界各地。,8,（,3,）赤道轨道,当卫星倾角为,0,或,l80,时，卫星在,赤道上空向东或向西运行，这种轨道称为,赤道轨道,。这时卫星可以连续观测热带地,区；当卫星的倾角为,0,时，卫星与地球同,向运行，可以实现静止轨道，对某一固定,区域作连续观测。而当倾角为,l80,时卫星,可以较短的时间观测全球所有热带地区。,9,（,4,）极地轨道,当卫星倾角为,90,时，卫星通过南北两,极，这种轨道称之极地轨道。利用这种卫,星轨道可以观测人类难以到达的两极地区。,显然，卫星的倾角不同，观测范围也,不同。,如果只对热带地区观测，可以选取,较小倾角的轨道；如果要观测极地区域，,则要取倾角较大的卫星轨道。,10,2,、按卫星高度,卫星的高度对卫星的观测和寿命有重,要影响，若卫星的高度高，其受空气的阻,力小寿命长，观测范围大但用同样的,仪器则分辨率要降低，图片不易清楚。,若卫星的高度低，虽然可以获取较清晰的,图片，但因空气的阻力大，寿命短。所以,应根据需要选取卫星高度。按卫星的高度,将轨道分为三种类型：,11,（,1,）低高度短寿命轨道,这种轨道的卫星高度约为,150,200km,，寿,命,1,3,周，大多数为军事侦察卫星所采用。,其可获得分辨率高、比例尺大的清晰图片。,（,2,）中高度长寿命轨道,这种轨道的卫星高度为,350,1500km,，寿命,可达,1,年以上。气象卫星、陆地卫星和海洋,卫星等大都采用这种轨道。它对地面有较,高的分辨率，又有较长的寿命，能对天气、,海洋、陆地资源等作监测。,12,（,3,）高高度长寿命地球静止卫星轨道,这种卫星轨道的高度约在,35800km,左右，受地心引力和空气阻力很小，卫星的寿命可以在几年以上主要用于气象、广播和通讯等许多领域。,lll,13,3,、按卫星轨道偏心率,按卫星的偏心率可以将卫星轨道分为圆形和椭圆形卫星轨道两类：,（,1,）圆形轨道,当偏心率,e=0,，卫星作等速圆周运动，对卫星遥感特别有利。同时对卫星轨道的预告和资料的定位十分方便。,14,（,2,）椭圆形轨道,当,e0,时，卫星,作椭圆形运动，这,时卫星在不同高度,上对大气进行观,测，可获取大气密,度或其他有用的资,料。利用椭圆形轨,道可以发射高高度,卫星轨道。,15,三、极轨卫星轨道,极轨卫星轨道（也叫太阳同步卫星轨,道）,指卫星的运行的轨道平面与太阳始终,保持固定的取向。由于这种卫星轨道的倾,角接近,90,，卫星近乎通过极地，所以又,称它为近极地太阳同步卫星轨道通常简,称,极地轨道,。极轨卫星几乎以同一地方时,(,只对轨道的升段或降段,),经过世界各地。,考虑到卫星轨道平面随地球绕太阳公转的,同时为保持卫星的轨道平面始终与太阳,保持固定的取向，必须使卫星的轨道平面,每天自西向东旋转,1(,相对于太阳,),。,16,太阳同步轨道的实现,:,在卫星随地球绕太阳公转时,轨道平面每天要自西向东作大约,1,的转动,若地球是个均匀球体,当地球绕太阳公转时,轨道平面随地球作平动,则轨道平面不能保持与太阳有固定的取向,.,但事实上由于地球是个扁椭球体,赤道比两极长,因此其上各点对卫星的引力不等,从而使卫星的轨道绕地轴朝着与卫星运动相反的方向旋转,即轨道平面的进动,.,若选定合适的倾角,(,大于,90),使卫星轨道平面的进动为,1,正好使轨道平面与太阳始终保持固定的取向,.,17,优点：,轨道预告、资料接收定位都十分方便；,极轨卫星可观测全球，尤其是极地区域；,能得到稳定太阳能，保障卫星正常工作。,缺点：,时间分辨率低，对某一地区的观测时间间,隔长，一颗极轨卫星的每天只能对同一地区,观测两次，不能满足气象观测要求，不能监,视生命短、变化快的中小尺度天气系统；,相邻两条轨道的观测资料不是同一时刻,的，需要进行同化。,18,四、地球静止卫星轨道,如果卫星倾角等于,0,，赤道平面与轨,道平面重合，则卫星在赤道上空运行；又,若卫星的周期正好等于地球自转周期,(23,小,时,56,分,04,秒,),，卫星公转方向与地球自转达,方向相同，这样的卫星轨道称地球同步轨,道。若在地面看，这种轨道上的卫星好像,静止在天空某一地方，不动似的，所以又,把它称做地球静止卫星轨道。这样轨道上,的卫星称做静止卫星。,地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例,它只有一条,.,19,静止卫星的优点：,高度高，视野广阔，一个静止卫星可以对,南北,70S,70N,，东西,140,个经度，约对,地球表面积,1.7x 108km2,进行观测；,静止卫星可对某一固定区域进行连续观,测，可以以,0.5h,或,1h,提供一张全景圆面图。,在特殊需要时，可每隔,3,5min,对某个小区,域进行一次观测；,静止卫星可以监视天气云系的连续变化，,特别是生命短、变化快的中小尺度灾害性天,气系统。,20,缺点：,不能观测南北极区；,对卫星观测仪器的要求高。,21,五、卫星观测仪器,卫星观测地球大气分主动式和被动式。,卫星主要采用体积小、重量轻和耗能少的,被动式遥感仪器。常见：,摄像机辐射仪。,摄像方式只能取得白天云图资料，且分辨,率低，自第二代气象卫星都采用辐射仪。,辐射仪观测又分为扫描式和非扫描式。扫,描式辐射仪可以获取较大范围的观测资料。,而非扫描式辐射仪只能对卫星星下点附近,观测，覆盖面积较小，但空间分辨率高。,22,若按卫星资料产品来分，辐射计还可以分,成：,成像型辐射仪,，这类辐射仪主要是将辐,射仪测量到的值转换成图像，通常具有较,高的地面分辨率和大的观测范围，所以成,像型辐射仪大多是扫描型的，并使用较宽,的波长间隔，以得到更多的辐射能，现在,的卫星云图都是由这种辐射仪取得的；,lll,23,可,见,光,红,外,扫,描,辐,射,仪,24,非成像型辐射仪,，这种辐射仪主要是获,取探测数据，如测量大气温度、成分等，,这种辐射仪的地面分辨率较低，可以是扫,描型，也可以是非扫描型的，所用的光谱,通道较多，每个通道的波长间隔很窄，具,有高的光谱分辨率；,成像和非成像混合型辐射仪,，这是美国,静止卫星上曾用过的辐射仪，采用的光谱,通道较多，其中一些用于成像，另一些用,于如获取大气温度等探测数据的目的。,25,(1),、卫星仪器的组成,卫星仪器在空间接收来自地,球大,气系统,自身发射或反射太阳的辐射，这种测量辐,射的仪器称做辐射仪。下图所示是一个由,扫描仪、光学系统、探测器、信号处理和,信号输出等四部分组成的辐射仪。,电子一光学遥感辐射仪的组成部分,26,(2),、卫星探测的分辨率,卫星仪器探测的分辨率是指从卫星上能区,别两个相邻物体的能力，或者是能分清两,个物体的最短距离。如果两个物体间距离,小于卫星探测的分辨率，则这两个物体不,能分辨。,表示卫星探测分辨率的参数有三个：,空间分辨率 灰度分辨率 时间分辨率,27,空间分辨率,这是指,卫星在某一时刻观测地球的最小面,积,。空间分辨率以由卫星观测到的最小面,积的直径表示，,单位为,km,。,卫星的空间分辨率与卫星的,高度,有关，卫,星的高度越高，在同样的瞬时视场下，观,测面积增大，空间分辨率下降。此外它还,与卫星的,视角,有关，视角倾斜，观测面积,增大，分辨率下降。,28,对于实际使用的卫星云图的分辨率与卫星,探测分辨率是,有区别,的，,云图上的分辨率,取决于图片上的扫描线的数目,。如果,卫星,云图分辨率,等于,卫星探测分辨率,，则称这,种云图为原分辨率或全分辨率云图。,29,灰度分辨率或温度分辨率,在红外或可见光云图上，当两个瞬时视场,内目标物的温度或反照率有差异，并达到,一定数值时，这两个视场就能被分辨，这,个能分辨的最小温度差或反照率差值称之,温度分辨率或灰度分辨率。,对于红外谱段，通常用,等效噪声温度差,NET,表示，如果邻接视场的温度差越大，,则越容易区别它们。如在红外云图上，,卷,云、积雨云与地面的温度差很大,，很容易,区分它们，又如,低云与地面的温差较小,，,就不易区别它们。,30,卫星云图的分辨率大小还与目标物的温度有关,如目标物的温度为,300K,时，,NET0.3K,，,而当目标物温度为,l85K,时，,NET1.4K,。,31,时间分辨率,时间分辨率是指卫星对同一地区观测,的时间间隔,。其与卫星的,扫描速率、扫描,区域,和,选用的卫星轨道,等有关。,例如,:,极轨卫星每,l2,小时对全球进行一次观测,静止卫星每隔半小时对某一固定区域进行,一次观测。,高的时间分辨率可以观测变化快、生命短,的目标物。,32,几类常用卫星观测时刻和时间分辨率,33,六、卫星的空间扫描方式,卫星在空间对地观测主要依靠扫描镜或探,测器阵列在一维或二维方向上扫描景物。,卫星对地扫描的方式大致有以下四种：,(1),单个探测器线扫描,(a),(2),多探测器扫描,(b),(3),线性阵列探测器前推式扫描,(c),(4),圆锥扫描,(d),34,卫星的扫描方式,单,个,探,测,器,线,扫,描,线性,阵列,探测,器前,推式,扫描,多,探,测,器,扫,描,圆,锥,扫,描,35,七,.,卫星运动规律,1.,卫星的受力,:,万有引力,离心力,摩擦力,光压力,磁场,等,.(,后三种受力与万有引力相比很小,),36,对卫星进行受力分析时的假设如下,:,地球为均质球体,可以把地球作为质量集中于地心的质点处理,.,由于卫星的大小远小于地球与卫星之间的距离,把卫星也作为质点处理,.,卫星的质量远小于地球,卫星对地球的作用可以忽略不计,.,忽略其他天体和大气等对卫星的作用力,这时可以把卫星作为受地心引力作用下的质点加以描述,.,因此在对卫星进行受力分析时,只考虑地球对卫星的万有引力和离心力,.,37,卫星绕地球运行遵循开普勒行星运动三定律,（,1,）卫星轨道为一椭圆，地球在椭圆的一个焦点上。其长轴的两个端点是卫星离地球最近和最远的点，分别叫做远地点和近地点。,（,2,）人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行时，其运行速度是变化的，在远地点时最低，在近地点时最高。速度的变化服从面积守恒规律，即卫星的向径（卫星至地球的连线）在相同的时间内扫过的面积相等。,（,3,）人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行，其运行周期取决于轨道的半长轴（与半长轴的二分之三次方成正比）。不管轨道形状如何，只要半长轴相同，它们就有相同的运行周期。人造地球卫星轨道的形状和大小由它的半长轴和半短轴的数值来决定。其半长轴和半短轴的数值越大，轨道越高；半长轴与半短轴相差越多，轨道的椭圆形越扁长；并长轴与半短轴相等则为圆形轨道。,38,卫星的定位,在地球和太阳的相对运动中，如果假定地球不动，则太阳绕地球运行，当太阳从地球的南半球向北半球运行时，穿过地球赤道平面的那一点叫春分点。,所谓升交点赤经（,）就是从春分点到地心的连线与从升交点到地心的连线的夹角,.,所谓近地点幅角（,）就是从升交点到地心的连线与从近地点到地心的连线的夹角。,半长轴（,a,）、偏心率（,e,）、倾角（,i,）、升交点赤经（,）和近地点幅角（,）被称为人造地球卫星轨道的,5,要素（或根数）。要知道卫星的瞬时位置，还必须测量它过近地点的时间（,z,）。有时，把上述,6,个参数合称为人造地球卫星轨道的,6,要素。,39,二,.,卫星的入轨速度与轨道的形状,决定卫星轨道的因素是火箭把卫星送入轨道的一瞬间的速度,-,入轨速度,.,卫星所受离心力大小决定于卫星速度,.,当速度较小时,离心力小于地心力,物体落回地面而不能成为卫星,.,当物体速度增大到当离心力等于地心引力时,物体就作平衡的圆周运动,不落回地面而成为卫星,.,当物体的速度增大到离心力大于地心引力时,平衡圆周运动被破坏,这时卫星作椭圆轨道运动,.,40,1.,实现圆形轨道的条件和环绕速度,当卫星的入轨速度使离心力,=,万有引力,则有,:,V,c,定义,:,卫星在不同高度上作圆轨道运动所具有的速度,也是卫星作圆轨道运动应具有的速度,.,(*),41,如果在地面附近水平发射卫星,将,r=R(,地球半径,)=6370km,代入,(*),式,记,V,c,=V,1,V,1,=7.912km/s,V,1,为卫星在地面入轨时所需要的最小速度,称为第一宇宙速度,.,注意,:,如果入轨方向与地面有一定交角时,卫星将作椭圆运动,而不是圆轨道运动,.,42,2.,卫星作椭圆轨道运动所需的条件,如果,V,进一步加大,其离心力加大到足以客服地球引力场,即卫星距地面距离,a ,此时,V= ,卫星成为行星,轨道也不是椭圆形,而是抛物线,.,卫星作椭圆运动所需的入轨速度应满足以下条件,: V,椭圆,V,c,设,V,2,= ,将,V,1,=V,c,代入得, V,2,=11.2km/s.,V,2,称为第二宇宙速度,又称逃逸速度,是地面发射一颗行星所需的最小速度,也称为抛物线速度,.,lll,43,如果卫星的离心力,大于太阳引力,则卫星便脱离太阳系进入银河系,其速度,V,3,=16.9km/s,即为第三宇宙速度,.,44,