卫星气象学基本知识幻灯片.ppt

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1、卫星气象学基本知识课件第1页，共34页，编辑于2022年，星期五2.1 2.1 气象卫星的轨道气象卫星的轨道 一、卫星运动三定律：一、卫星运动三定律：第第一一，卫卫星星运运行行的的轨轨道道是是一一圆圆锥锥截截线线（圆圆锥锥被被一一平平面面所所截截出出的的曲曲线线，可可以以是圆、椭圆、抛物线），地球位于其中的一个焦点上。是圆、椭圆、抛物线），地球位于其中的一个焦点上。第第二二，卫卫星星的的向向径径（卫卫星星与与地地心心连连线线）在在相相等等的的时时间间内内，在在地地球球周周围围扫过的面积相等。扫过的面积相等。第三，卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。第三，卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的

2、立方成正比。（1 1）对于第一定律，卫星运动轨道是一圆锥截线，其表示）对于第一定律，卫星运动轨道是一圆锥截线，其表示式为：式为：r=P/r=P/（1+ecos1+ecos）式式中中e ec/ac/a是是偏偏心心率率，a a是是半半长长轴轴，C C是是焦焦距距，P Pr r（1+ecos1+ecos）是是半半通通径径，是矢径是矢径r r与半长轴与半长轴a a的夹角。可见偏心率是决定轨道形状的主要参数。的夹角。可见偏心率是决定轨道形状的主要参数。第2页，共34页，编辑于2022年，星期五当当e e0 0时，时，c=0c=0，P=r=aP=r=a，卫星轨道是以地心为圆心的卫星轨道是以地心为圆心的圆形

3、轨道圆形轨道。当当 e e1 1时时，卫卫星星的的运运动动轨轨道道是是以以地地心心为为一一焦焦点点的的椭椭圆圆形形轨轨道道。其其C0C0，焦点与椭圆中心不重合，而半通径焦点与椭圆中心不重合，而半通径p=ap=a（1 1e e2 2）。）。当当 e e1 1时时，运运动动轨轨道道是是以以地地心心为为焦焦点点的的抛抛物物线线轨轨道道。焦焦距距与与半半长长轴轴相相等。运动物体沿抛物线轨道飞离地球，成为太阳系的人造卫星。等。运动物体沿抛物线轨道飞离地球，成为太阳系的人造卫星。当当e e1 1时时，运运动动轨轨道道是是以以地地心心为为焦焦点点的的双双曲曲线线，c ca a，运运动动物物体体沿沿双曲线轨道

4、飞离地球和太阳系，成为银河系中的一个星体。双曲线轨道飞离地球和太阳系，成为银河系中的一个星体。（2 2）根据第二定律，）根据第二定律，有有 dA/dt=dA/dt=（1/21/2）r r2 2(d/dt)=(1/2)h=(d/dt)=(1/2)h=常数常数式式中中dAdA是是半半径径在在dtdt时时间间内内扫扫过过的的面面积积，h h是是一一常常数数，由由上上式式得得卫卫星星的的角速度为角速度为 =r(d/dt)=r(d/dt)=（1/r1/r）h h可可见见，卫卫星星的的角角速速度度大大小小，与与r r大大小小成成反反比比。对对于于椭椭圆圆轨轨道道，由由于于远远地地点点r r最最大大，因因而

5、而卫卫星星角角速速度度最最小小；而而近近地地点点r r最最小小，卫卫星星角角速速度度最最大大。故故第第二二定律表达了卫星在轨道的角速度的大小。定律表达了卫星在轨道的角速度的大小。第3页，共34页，编辑于2022年，星期五第4页，共34页，编辑于2022年，星期五由理论力学可以求得卫星在椭圆轨道上的总能量为：由理论力学可以求得卫星在椭圆轨道上的总能量为：W W（总能量）（总能量）=（1/21/2）mVmV2 2（动能）（动能）m/rm/r（势能）（势能）=m/2am/2a式中式中m m为卫星质量，为卫星质量，r r是卫星的矢径是卫星的矢径 ，=GM=GM为开普勒常数，为开普勒常数，G G是万有引

6、力常是万有引力常数，数，M M是地球质量。是地球质量。可得卫星在轨道的速度为：可得卫星在轨道的速度为：V V2 2=（2/r2/r）（）（1/a1/a）称为卫星活力公式，可计算出卫星在轨道上任一点的速度。称为卫星活力公式，可计算出卫星在轨道上任一点的速度。第5页，共34页，编辑于2022年，星期五（3 3）、根据第三定律可确定卫星的周期：）、根据第三定律可确定卫星的周期：a a/T/T=/4=/4 或或 T=2T=2（a a/）1/21/2可见卫星的周期仅决定于轨道的长半轴。可见卫星的周期仅决定于轨道的长半轴。2 2、按按轨轨道道偏偏心心率率可可以以分分为为圆圆形形轨轨道道和和椭椭圆圆形形卫卫

7、星星轨轨道道。选选择择圆圆形形轨轨道有许多优点：道有许多优点：卫星在圆轨道上匀速运动，便于轨道的计算和预告；卫星在圆轨道上匀速运动，便于轨道的计算和预告；卫星观测得到的图片比例尺一致，便于资料的处理和使用；卫星观测得到的图片比例尺一致，便于资料的处理和使用；有利于仪器的工作和卫星姿态控制。有利于仪器的工作和卫星姿态控制。第6页，共34页，编辑于2022年，星期五3 3、按按卫卫星星轨轨道道倾倾角角，可可将将卫卫星星轨轨道道分分为为前前进进轨轨道道和和后后退退轨轨道道。倾倾角角在在0 0一一9090之之间间，称称前前进进轨轨道道或或顺顺行行轨轨道道。倾倾角角在在9090一一180180之之间间，

8、为为后后退退轨轨道道或或逆逆行行轨轨道道。倾倾角角等等于于零零，称称为为赤赤道道轨轨道道。倾倾角角等等于于9090时时，称称极极地地 轨轨道道。倾倾角角不不同同，观观测测范范围围不不同同。对对热热带带地地区区观观测测，选选倾倾角角较较小小的的轨轨道道；观观测测极极区区，应选倾角接应选倾角接 近近9090的轨道。的轨道。4 4、按卫星高度将轨道分成三种类型：、按卫星高度将轨道分成三种类型：(1)(1)低低高高度度、短短寿寿命命卫卫星星轨轨道道：卫卫星星高高度度为为 150150200200公公里里，寿寿命命只只有有1 13 3周，大多为军事服务的侦察卫星所采用。周，大多为军事服务的侦察卫星所采用

9、。(2)(2)中中高高度度，长长寿寿命命卫卫星星轨轨道道：高高度度约约为为350350 15001500公公里里，寿寿命命达达一一年年以以上。气象卫星，陆地和海洋卫星都用这种轨道。上。气象卫星，陆地和海洋卫星都用这种轨道。(3)(3)高高高高度度，长长寿寿命命地地球球静静止止卫卫星星轨轨道道：轨轨道道的的高高度度 约约3580035800千千米米左左右右，受受地地心心引引力力和和大大气气阻阻力力的的影影响响很很小小，卫卫星星的的寿寿命命很很长长，可可以以存存在在好好几几年年，主主要要为为气气象象卫卫星星和和通通讯讯卫卫星星所所用用。从从气气象象观观测测要要求求气气象象卫卫星星使使用用近近极极地

10、地太阳同步轨道和地球同步轨道两种轨道。太阳同步轨道和地球同步轨道两种轨道。第7页，共34页，编辑于2022年，星期五第8页，共34页，编辑于2022年，星期五二、卫星的入轨速度与轨道的形状二、卫星的入轨速度与轨道的形状 卫卫星星的的轨轨道道形形状状可可以以是是圆圆形形、椭椭圆圆形形、抛抛物物线线或或双双曲曲线线。卫卫星星轨轨道道的的形形状还取决于火箭将它送入轨道时一瞬间的速度。状还取决于火箭将它送入轨道时一瞬间的速度。卫卫星星环环绕绕地地球球运运行行时时，作作用用于于它它的的有有地地心心引引力力，有有离离心心力力。离离心心力力的的大大小小决决定定于于卫卫星星速速度度。离离心心力力小小于于地地心

11、心引引力力，物物体体要要落落回回地地面面。离离心心力力等等于于地地心心引引力力时时，就就作作平平衡衡的的圆圆周周运运动动，而而成成为为卫卫星星。速速度度增增大大到到离离心心力力大大于于地地心心引引力力时时，平平衡衡的的圆圆周周运运动动被被破破坏坏将将作作椭椭圆圆运运动动。速速度度再再加加大大，其其运运动动轨轨道道将将为为抛抛物物线线或或双曲线。双曲线。1 1、实现圆型轨道的条件是卫星入轨速度使离心力等于地心引力、实现圆型轨道的条件是卫星入轨速度使离心力等于地心引力式式中中VcVc是是卫卫星星在在圆圆轨轨道道运运动动的的速速度度，也也是是卫卫星星入入轨轨速速度度，该该速速度度称称做做环环绕绕速速

12、度度。如如果果物物体体在在地地面面附附近近发发射射，则则以以 r rR R（地地球球半半径径）63706370公公里里代代入入上式，并记这时的上式，并记这时的VcVc为为V1V1，便有，便有 V1V17 7912912千米秒千米秒这是卫星在地面发射入轨时所需要的最小速度，把它称做第一宇这是卫星在地面发射入轨时所需要的最小速度，把它称做第一宇宙速度。宙速度。第9页，共34页，编辑于2022年，星期五卫星在某高度作圆轨道运动，除速度必须等于环绕速度外，而且要求入轨速度卫星在某高度作圆轨道运动，除速度必须等于环绕速度外，而且要求入轨速度方向必须与地面平行。如果卫星速度大于或小于环绕速度，和入轨速度虽

13、等于方向必须与地面平行。如果卫星速度大于或小于环绕速度，和入轨速度虽等于环绕速度，但入轨方向与地面有一定交角时，卫星将作椭圆运动，而不是圆轨环绕速度，但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。道运动。2 2、作椭圆轨道运动需要的条件、作椭圆轨道运动需要的条件 如如果果卫卫星星入入轨轨速速度度进进一一步步加加大大，其其离离心心力力加加大大到到使使卫卫星星脱脱离离地地球球引引力力场场，即即 a a ，则由活力公式得，则由活力公式得 可可见见，当当卫卫星星达达到到2 2VcVc速速度度时时，它它就就演演变变为为行行星星，轨轨道道也也不不是是椭椭圆圆形形，而而是是双双曲线了。因

14、此卫星作椭圆轨道运动所需的入轨速度应满足曲线了。因此卫星作椭圆轨道运动所需的入轨速度应满足 2 2 Vc VcV V椭椭VcVc式式中中的的VpVp称称做做抛抛物物线线速速度度。若若将将卫卫星星在在地地面面附附近近作作环环绕绕速速度度的的Vc=V1Vc=V1代代入入VpVp式式，并把此时的并把此时的VpVp记为记为V2V2，得，得 V2=11.2V2=11.2千米千米/秒秒第10页，共34页，编辑于2022年，星期五称称V2V2为第二宇宙速度，又称逃逸速度。为第二宇宙速度，又称逃逸速度。如果卫星的离心力大于太阳引力则卫星脱离太阳系进入银河系，其速如果卫星的离心力大于太阳引力则卫星脱离太阳系进入

15、银河系，其速度为度为 V3=16.9V3=16.9千米千米/秒秒为第三宇宙速度。为第三宇宙速度。第11页，共34页，编辑于2022年，星期五 2.2 2.2 轨道参数和卫星轨道轨道参数和卫星轨道 1 1、卫星的轨道参数、卫星的轨道参数 （l l）倾角：）倾角：卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角。卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角。(2)(2)高度：高度：卫星轨道离地球表面的距离。卫星轨道离地球表面的距离。（3 3）周期：）周期：卫星沿其轨道运行一周所需的时间。卫星沿其轨道运行一周所需的时间。（4 4）星下点：）星下点：卫星与地球中心连线在地球表面的交点称星下点。由卫星与地球中心连线在地球表面的交点

16、称星下点。由于卫星的运动和地球的自转，显下点在地球表面形成一条连续的轨迹，于卫星的运动和地球的自转，显下点在地球表面形成一条连续的轨迹，这一轨迹称星下点轨迹。显下点常用经、纬度表示其位置。这一轨迹称星下点轨迹。显下点常用经、纬度表示其位置。（5 5）升升交交点点和和降降交交点点：卫卫星星运运行行一一个个周周期期自自南南向向北北与与地地球球赤赤道道的的交交点点为为升升交交点点，自自北北向向南南与与地地球球赤赤道道的的交交点点为为降降交交点点，所所以以每每条条卫卫星星轨轨道道的的升交点和降交点是不同的。升交点和降交点是不同的。（6 6）截截距距：卫卫星星运运行行一一个个周周期期地地球球赤赤道道所所

17、转转过过的的距距离离。由由于于在在卫卫星星绕绕地地球球公公转转的的同同时时，地地球球不不停停地地自自转转，卫卫星星沿沿规规定定转转一一周周需需约约2 2小小时时，地地球球自自转转需需2424小小时时，每每小小时时转转过过1515度度，所所以以卫卫星星一一个个周周期期在在赤赤道道的的截截距距是是3030个个经经度。度。第12页，共34页，编辑于2022年，星期五第13页，共34页，编辑于2022年，星期五第14页，共34页，编辑于2022年，星期五2 2、气象卫星的轨道、气象卫星的轨道 （1 1）、近极地太阳同步卫星轨道）、近极地太阳同步卫星轨道 所所谓谓太太阳阳同同步步轨轨道道是是指指卫卫星星

18、的的轨轨道道平平商商和和太太阳阳始始终终保保持持相相对对固固定定的的取取向向。由由于于这这种种轨轨道道的的倾倾角角接接近近9090，卫卫星星要要在在极极地地附附近近通通过过，所以又称它为近极地太阳同步卫星轨道，有时简称极地轨道。所以又称它为近极地太阳同步卫星轨道，有时简称极地轨道。近极地太阳同步轨道的示意图近极地太阳同步轨道的示意图第15页，共34页，编辑于2022年，星期五第16页，共34页，编辑于2022年，星期五1)1)、太阳同步轨道的实现、太阳同步轨道的实现 地地球球绕绕太太阳阳公公转转时时跟跟随随地地球球一一起起公公转转的的轨轨道道平平面面作作平平动动，相相对对太太阳阳的的取取向向的

19、的改改变变为为：360360，所所以以轨轨道道平平面面每每天天取取向向的的改改变变(转转过过的的度度数数)为为360/365360/365天天=0=0985985天天11天天。也也就就使使得得卫卫星星每每天天提提早早4 4分分钟钟出出现现 于于同同一一观观测测点点。为为了了使使轨轨道道平平面面相相对对于于太太阳阳始始终终有有固固定定的的取取向向，必必须须克克服服轨轨道道平平面面每每天天大大约约11的的取取向向改改变变。对对此此，可可以以利利用用因因地地球球的的扁扁率率引引 起起轨轨道道平平面面的的进进动动去去抵抵消消它它。选选定定合合适适的的倾倾角角，使使轨轨道道平平面面自自西西向向东东进进动

20、正好为动正好为11天左右，就抵消了天左右，就抵消了 轨道平面取向的改变，实现太阳同步轨道。轨道平面取向的改变，实现太阳同步轨道。2)2)、太阳同步轨道的优缺点、太阳同步轨道的优缺点 太阳同步轨道的优点有：太阳同步轨道的优点有：由由于于太太阳阳同同步步轨轨道道近近似似为为圆圆形形，轨轨道道预预告告、接接收收和和资资料料定定位位都都很很方方便；便；有利于资料的处理和使用；有利于资料的处理和使用；太阳同步轨道卫星可以观测全球，尤其可以观测两极地区；太阳同步轨道卫星可以观测全球，尤其可以观测两极地区；在观测时有合适的照明，可以得到充足的太阳能。在观测时有合适的照明，可以得到充足的太阳能。第17页，共3

21、4页，编辑于2022年，星期五 太阳同步轨道的缺点是：太阳同步轨道的缺点是：可可以以取取得得全全球球资资料料，但但观观测测间间隔隔长长，对对某某地地区区，一一颗颗卫卫星星在在红红外外波波段段取得两次资料；取得两次资料；观测次数少，不利于分析生命短的中小尺度天气系统。观测次数少，不利于分析生命短的中小尺度天气系统。相邻两条轨道的资料不是同一时刻，这对资料的利用不利。相邻两条轨道的资料不是同一时刻，这对资料的利用不利。（2 2）、地球同步卫星轨道）、地球同步卫星轨道 地地球球同同步步卫卫星星轨轨道道是是卫卫星星轨轨道道的的倾倾角角等等于于00，赤赤道道平平面面与与轨轨道道平平面面重重合合，则则卫卫

22、星星在在赤赤道道上上空空运运行行，并并且且卫卫星星的的周周期期等等于于地地球球自自转转周周期期(23(23小小 时时5656分分0404秒秒)，其其旋旋转转方方向向相相同同，这这样样的的轨轨道道称称做做地地球球同同步步卫卫星星轨轨道道。从从地地面面上上看看，轨轨道道上上的的卫卫星星好好象象静静止止在在天天空空某某一一地地 方方不不动动似似的的，所所以以又又叫叫做做静静止止卫卫星星轨轨道道。卫卫星星称称静止卫星。静止卫星。1)1)、地球同步轨道的实现地球同步轨道的实现 理想的静止卫星轨道：实现理想的静止卫星轨道理想的静止卫星轨道：实现理想的静止卫星轨道 必须满足下述条件：必须满足下述条件：卫星运

23、行方向与地球自转方向相同，即同向运行，卫星运行方向与地球自转方向相同，即同向运行，卫星轨道倾角为卫星轨道倾角为00，即赤道平面与轨道平面完全重合，即赤道平面与轨道平面完全重合，轨道偏心率轨道偏心率e e为为0 0，即轨道是圆形的，即轨道是圆形的，周期为周期为2323小时小时5656分分0404秒。秒。第18页，共34页，编辑于2022年，星期五 实际的静止卫星轨道，实际的静止卫星轨道不可能是圆形，而带有点椭圆实际的静止卫星轨道，实际的静止卫星轨道不可能是圆形，而带有点椭圆形，在一天当中，卫星的轨道半径有时大有时小。当轨道半径偏大时，卫星速形，在一天当中，卫星的轨道半径有时大有时小。当轨道半径偏

24、大时，卫星速度减小，其相对于地球就度减小，其相对于地球就 要向西漂移，当轨道半径偏小时，卫星速度加大，就要向西漂移，当轨道半径偏小时，卫星速度加大，就要向东漂要向东漂 移。所以一天之内，卫星要作东西向漂移。同时，卫星轨道倾角也不移。所以一天之内，卫星要作东西向漂移。同时，卫星轨道倾角也不正好是正好是00，常有，常有11的倾角；若不考的倾角；若不考 虑其它因素，卫星在一天内将作南虑其它因素，卫星在一天内将作南北漂移。北漂移。如若卫星轨道即带有一点椭圆形，又有一点倾角，则卫星的如若卫星轨道即带有一点椭圆形，又有一点倾角，则卫星的 星下点轨迹是上述两种结果的合成，使得每天的星下点轨迹在赤星下点轨迹是

25、上述两种结果的合成，使得每天的星下点轨迹在赤 道两侧道两侧呈呈“8 8字形摆动。字形摆动。静止卫星酌高度可以根据开普勒第三定律算得：静止卫星酌高度可以根据开普勒第三定律算得：第19页，共34页，编辑于2022年，星期五2 2）、）、静止卫星轨道的有效利用静止卫星轨道的有效利用 地地球球同同步步卫卫星星轨轨道道是是赤赤道道上上空空约约3586035860公公里里高高处处的的圆圆形形轨轨道道，尽尽管管这这条条轨轨道道的的圆圆周周很很长长，但但是是由由于于连连续续不不断断地地发发射射静静止止卫卫 星星，卫卫星星的的位位置置迟迟早早会会出出现现拥拥挤挤现现象象，静静止止卫卫星星只只能能在在唯唯一一的的

26、这这条条轨轨道道上上。同同时时即即使使不不考考虑虑卫卫星星在在空空间间位位置置上上、的的矛矛盾盾，假假如如卫卫星星 过过于于接接近近，也也存存在在相相邻邻卫卫星星间间的的电电波波干干扰扰问问题题；这这就就是是从从地地面面向向卫卫星星发发射射电电波波，它它附附近近的的卫卫星星就就会会收收到到，从从而而产产生生干干扰扰。为为防防止止卫卫星星间间的的相相互互干干扰扰，要要求求地地面面站站具具有有高高方方向向性性定定向向窄窄波波束束天天线线。例例如如对对于于33间间隔隔的的卫卫星星，波波束束宽宽度度应应小小于于202055，若若每每隔隔33放放置置 一一颗颗静静止止卫卫星星，绕绕地地球一圈可放球一圈可

27、放120120颗静止卫星，则两个相邻卫颗静止卫星，则两个相邻卫 星的圆周弧距为星的圆周弧距为 ：S=2S=2（R+HR+H）/120=2210.04(km)/120=2210.04(km)静静止止卫卫星星的的使使用用价价值值很很高高，各各国国都都希希望望尽尽早早发发射射自自己己的的卫卫星星，世世界界各各国国又又都都集集中中在在欧欧 洲洲、亚亚洲洲，非非洲洲这这一一带带，南南北北美美洲洲国国家家也也很很集集中中，但但是是卫卫星星的的位位置置是是有有限限的的，这这就就涉涉及及到到如如 何何合合理理地地、有有效效地地使使用用静静止止卫卫星星轨道。轨道。第20页，共34页，编辑于2022年，星期五 3

28、 3）、卫星蚀和太阳干扰）、卫星蚀和太阳干扰 卫卫星星蚀蚀：大大家家知知道道，当当太太阳阳，月月亮亮和和地地球球依依次次排排列列在在 一一条条直直线线上上时时，太太阳阳被被月月亮亮挡挡住住，就就出出现现日日蚀蚀，当当太太阳阳，地地球球和和月月亮亮处处于于一一条条直直线线时时，月月球球进进入入地地球球的的阴阴影影区区，就就发发生生月月蚀蚀。人人造造卫卫星星也也会会发发生生这这种种情情况况，若若太太阳阳，地地球球和和人人造造卫卫星星在在一一条条直直线线上上时时，人人造造卫卫星星进进入入地地球球阴阴影影区区，就就出出现现卫卫星星蚀蚀。如如下下图图所所示示，静静止止卫卫星星位位于于赤赤造造平平面面内内

29、，所所以以静静止止卫卫星星的的卫卫星星蚀蚀蚀蚀出出现现在在春春分分和和秋秋分分前前后后的的一一段段时时间间内内，卫卫星星星星下下点点地地区区正正好好处处于于午午夜夜时时分分，在在春春分分和和秋秋分分这这两两天天卫卫星星蚀蚀的的时时间间最最长长，达达72 72 分分钟钟之之久久，卫卫星星蚀蚀可可连连续续出出现现4545天天。在在卫卫星星蚀蚀出出现现期期间间，人人造造卫卫星星上上的的太太阳阳电电池池不不能能工工作作，所所以以用用蓄蓄电电池池供供电电，因因此此卫卫星星必必须须带带上上大大的的蓄蓄电电池池，才才不不会会使使卫卫星星工工作作停停止止。有有时时供供电电不不足足时时，仍仍要要停停止止某某些些

30、观观测测项项目目或或作作某某些些调调，处处在在卫卫星星蚀蚀期期间间，因因卫卫星星中中没没有有热热量量输输入入，卫卫星星星星体体的的温温度度下下降降，使使得得其其体体积积收收缩缩，以以致致自自旋旋速速率加大。率加大。太太阳阳同同步步轨轨道道卫卫星星也也出出现现卫卫星星蚀蚀。卫卫星星蚀蚀的的时时间间长长短短，决决定定于于卫卫星高度和卫星经过各地的地方时时间。星高度和卫星经过各地的地方时时间。第21页，共34页，编辑于2022年，星期五第22页，共34页，编辑于2022年，星期五太太阳阳干干扰扰：当当太太阳阳，静静止止卫卫星星和和地地球球上上的的接接收收天天线线处处在在一一条条直直线线上上时时，地地

31、面面接接收收天天线线正正好好对对着着太太阳阳。在在太太阳阳进进入入接接收收天天线线波波束束期期间间，在在强强烈烈的的太太阳阳射射电电噪噪声声影影响响下下，接接收收电电波波受受严严重重干干扰扰，地地面面接接收收天天线线收收不不到到讯讯号号，这这样样的的干干扰扰称称太太阳阳干干扰扰。这这种种情情况况在在春春分分和和秋秋分分前前后后连连续续数数天天发发生生，受受干干扰扰的的时时间间的长短随天线直径大小而异。的长短随天线直径大小而异。4 4）、）、静止卫星的优缺点静止卫星的优缺点 静止卫星作为一个气象观测平台有许多优点：静止卫星作为一个气象观测平台有许多优点：是是卫卫 星星高高度度高高，视视野野广广阔

32、阔，一一个个卫卫星星可可对对南南北北70S-70N70S-70N，东东西西140140个经度，约占地球表面个经度，约占地球表面1 13 3约约1.71.7亿平方公里进行观测；亿平方公里进行观测；是是可可以以对对某某一一固固定定区区域域进进行行连连续续观观测测，约约半半小小时时提提供供一一张张全全景景圆圆面面图，特殊需要时，图，特殊需要时，3 35 5分钟对某小区域进行一次观测；分钟对某小区域进行一次观测；是是可可以以连连续续监监视视天天气气云云系系的的演演变变，特特别别是是生生命命短短，变变化化快快的的中中小小尺尺度度天天气气系系统统。如如果果把把间间隔隔为为5 5分分钟钟的的图图片片连连接接

33、成成电电影影环环，可可以以连连续续 观观察察天天气气云云系系的的演变演变 。静止卫星的不足是：静止卫星的不足是：它不能观测南北极区。它不能观测南北极区。由于离地球很远，要得到清楚的图片，对仪器的要求很高。由于离地球很远，要得到清楚的图片，对仪器的要求很高。卫星轨道有限。卫星轨道有限。第23页，共34页，编辑于2022年，星期五 2.3 2.3 、气象卫星的发射、气象卫星的发射 1 1卫星的发射和入轨过程卫星的发射和入轨过程 人人造造卫卫星星是是火火箭箭技技术术迅迅速速发发展展的的结结果果。为为了了将将卫卫星星送送入入轨轨道道，一一般般采采用用多多级级火火箭箭。当当第第一一级级火火箭箭点点火火后

34、后，整整个个火火箭箭便便慢慢慢慢地地离离开开发发射射台台，第第一一级级火火箭箭级级燃燃料料烧烧尽尽时时，将将壳壳体体分分离离抛抛弃弃，得得速速度度V1V1；然然后后第第二二级级点点火火，第第二二级级推推进进剂剂烧烧完完，又又把把壳壳体体抛抛弃弃，速速度度增增量量V2V2，接接着着第第三三级级点点火火，速速度度增增量量为为V3V3，最最终终速度为速度为V 1V 1十十V2V2十十V3V3。卫卫星星的的发发射射过过程程分分为为如如下下几几段段：垂垂直直上上升升段段：此此段段，箭箭很很大大很很重重及及空空气气密密度度大大 ，大大气气的的阻阻力力也也大大，所所以以火火箭箭垂垂直直缓缓慢慢穿穿过过大大气

35、气层层；转转弯弯飞飞行行段段，火火箭箭垂垂直直穿穿过过稠稠密密大大气气层层后后，火火箭箭将将向向预预定定轨轨道道飞飞行行。自自由由飞飞行行段段，主主要要火火箭箭荷荷重重已已脱脱离离，剩剩余余火火箭箭及及卫卫星星在在空空间间靠靠惯惯性性自自由由飞飞行行；卫卫星星入入轨轨段段：当当火火箭箭在在自自由由飞飞行行段段到到达达预预定定高高度度和和速速度度时时，点点燃燃第第三三 级级火火箭箭，加加速速飞飞行行，最最后后到到达达卫卫星星轨轨道道应应具具有有的的高高 度度、速速度度和和方方向向时时，卫卫星星与与火火箭箭分分离离，进入轨道。进入轨道。第24页，共34页，编辑于2022年，星期五2 2、静止轨道卫

36、星的发射静止轨道卫星的发射 静止卫星轨道是离地面高度约静止卫星轨道是离地面高度约3586035860公里的赤道平面轨道，用火箭一下公里的赤道平面轨道，用火箭一下子送到这样高的轨道，需要花费相当巨大的能量。子送到这样高的轨道，需要花费相当巨大的能量。先由火箭把卫星发射到先由火箭把卫星发射到 180180250250公里的低高度轨道上，称暂定轨道或公里的低高度轨道上，称暂定轨道或初始轨道；初始轨道；当运行到与赤道平面相交处，当运行到与赤道平面相交处，点燃火箭，使卫星进入远地点高度点燃火箭，使卫星进入远地点高度为为3586035860公里的偏心率很大的椭圆轨道，叫公里的偏心率很大的椭圆轨道，叫转移轨

37、道；转移轨道；当卫星沿转移轨道运行几圈后，到达远地点赤道上空时，点燃远地点发当卫星沿转移轨道运行几圈后，到达远地点赤道上空时，点燃远地点发动机使卫星获得速度增量动机使卫星获得速度增量V V，偏离椭圆轨道；偏离椭圆轨道；卫星切卫星切 线速度线速度VoVo轨轨=3.07=3.07千米秒时，卫星便进入接近预定的圆形千米秒时，卫星便进入接近预定的圆形轨道，轨道，称为称为漂移轨道，也叫近静止轨道，漂移轨道，也叫近静止轨道，最后用小推力喷嘴，修正最后最后用小推力喷嘴，修正最后发射误差，把卫星送到静止卫星轨道上。发射误差，把卫星送到静止卫星轨道上。第25页，共34页，编辑于2022年，星期五第26页，共34

38、页，编辑于2022年，星期五 2.4 2.4 气象卫星系统气象卫星系统 气气象象卫卫星星通通常常由由基基本本卫卫星星系系统统和和探探测测仪仪器器设设备备系系统统两两部部分分组组成成。基基本本卫卫星星系系统统的的任任务务是是保保障障探探测测系系统统正正常常工工作作，包包括括卫卫星星姿姿态态控控制制，能能源源的的供供给给，温温度度控制和指令通讯系统。探测设备系控制和指令通讯系统。探测设备系 统是各种探测仪器。统是各种探测仪器。1 1、卫星的姿态、卫星的姿态 卫卫星星的的姿姿态态是是指指卫卫星星在在空空间间相相对对于于轨轨道道平平面面，地地球球表表面面或或任任何何坐坐标标系系的的固固定定取取向向，它

39、它决决定定卫卫星星仪仪器器对对地地面面的的观观测测方方式式和和资资料料的的可可利利用用性性。仪仪器器正正对对地地面面观观测测，图图片片对对称称，比比例例一一致致。仪仪器器斜斜对对地地面面观观测测，图图片片被被压压缩缩或或拉拉长长，比例不一，不利于应用。为此必须对卫星的姿态作控制。比例不一，不利于应用。为此必须对卫星的姿态作控制。（1)1)自自旋旋稳稳定定：卫卫星星围围绕绕自自身身对对称称轴轴以以一一定定角角速速度度旋旋转转，在在没没有有空空气气阻阻力力下下，卫卫星星的的角角动动量量守守恒恒，自自转转轴轴方方向向 始始终终不不变变，这这种种使使卫卫星星稳稳定定下下来来的的方方式式称称自自旋旋稳稳

40、定定。早早期期的的泰泰罗罗斯斯卫卫星星采采用用。“平平动动式式”自自旋旋稳稳定定，自自旋旋轴轴在在空空间间作作平平动动，仪仪器器装装在在卫卫星星底底部部，卫卫星星绕绕地地球球旋旋转转时时，只只有有部部分分时时间间取取得得资资料料。以以后后的的艾艾萨萨和和静静止止卫卫星星采采用用“滚滚轮轮式式，自自旋旋稳稳定定，自自旋旋轴轴与与轨轨道道平平面面相相垂垂直直，仪仪器器装装在在卫卫星星侧侧面面，当当仪仪器器转转到到朝朝向向地地面面时时进进行行观观测测，卫卫星能在整个周期内获得资料。星能在整个周期内获得资料。第27页，共34页，编辑于2022年，星期五(2)(2)三三轴轴定定向向稳稳定定：三三砷砷定定

41、向向稳稳定定是是卫卫星星在在三三个个方方向向上上保保持持稳稳定定。如如图图，三三个个轴轴是是：(a)(a)俯俯仰仰轴轴，与与轨轨道道平平面面垂垂直直，控控制制卫卫星星上上下下摆摆动动，(b)(b)横横滚滚轴轴，平平行行于于轨轨道道平平面面，且且与与轨轨道道方方向向相相一一致致，控控制制卫卫星星左左右右摆摆动动，(c)(c)偏偏航航轴轴，指指向向地地球球中中心心，控控制制卫卫星星沿沿轨轨道道方方向向运运行行。在在卫卫星星绕绕地地球球转转动动一一圈圈中中，轨轨道道方方向向改改变变360360，偏偏航航轴轴与与横横滚滚轴轴的的方方向向也也要要改改变变360360，才才能能保保持持卫卫星星姿态的稳定。

42、姿态的稳定。第28页，共34页，编辑于2022年，星期五(3)(3)重力梯度稳定：重力梯度稳定：由于地球对一个物体的引力随高度而减小，所以地球由于地球对一个物体的引力随高度而减小，所以地球重力场是不均匀的，有重力梯度。当卫星在重力场内运动时，因受重力梯度的重力场是不均匀的，有重力梯度。当卫星在重力场内运动时，因受重力梯度的作用，使卫星趋向一个平衡位置，由此实现重力梯度稳定。作用，使卫星趋向一个平衡位置，由此实现重力梯度稳定。2 2、卫星在静止轨道上位置的控制卫星在静止轨道上位置的控制 由于地球引力的不均匀和太阳、月亮引力的作用，常使卫星漂移静止由于地球引力的不均匀和太阳、月亮引力的作用，常使卫

43、星漂移静止轨道，如不加控制，这种偏离会愈来愈大，以至卫星超出地面接收天线轨道，如不加控制，这种偏离会愈来愈大，以至卫星超出地面接收天线的波束范围，接收不到卫星讯号。为消除卫星的漂移，在卫星上装有轴的波束范围，接收不到卫星讯号。为消除卫星的漂移，在卫星上装有轴向和横向两个气体喷射推进系统，通过喷气产生反作用力，实现卫星漂向和横向两个气体喷射推进系统，通过喷气产生反作用力，实现卫星漂移的修正。移的修正。3 3、卫星的结构和形状卫星的结构和形状 卫星的结构不仅能经得起剧烈的力学环境，而且要做得尽量以保证星上专用卫星的结构不仅能经得起剧烈的力学环境，而且要做得尽量以保证星上专用设备的重量。卫星的形状常

44、与其采用的姿态稳定方式有关，如自旋稳定的卫设备的重量。卫星的形状常与其采用的姿态稳定方式有关，如自旋稳定的卫星，相对自旋轴的重量分配平衡，做成圆柱形。三轴定向稳定的卫星，形状星，相对自旋轴的重量分配平衡，做成圆柱形。三轴定向稳定的卫星，形状不限，但为了利用太阳能，常将太阳电池翼板伸出。重力梯度稳定的卫星常不限，但为了利用太阳能，常将太阳电池翼板伸出。重力梯度稳定的卫星常做成哑铃型。做成哑铃型。第29页，共34页，编辑于2022年，星期五 4 4、卫星的电源、卫星的电源 能能否否正正常常地地向向卫卫星星上上各各种种仪仪器器供供电电，常常是是卫卫星星成成败败的的重重要要问问题题，初初期期发发射射的

45、的卫卫星星，一一般般用用蓄蓄电电池池电电源源，但但是是其其贮贮存存电电能能有有限限，在在短短期期内内就就会会用用完完，一一旦旦没没有有电电，卫卫星星就就要要停停止止工工作作；由由于于太太阳阳能能是是取取之之不不尽尽的的，且且太太阳阳电电池池体体积积小小、重重量量轻轻、效效率率高高和和寿寿命命长长，故故目目前前大大多多数数卫卫星星都都采采用用太太阳阳电电池池。也也有有采采用用原原子子能和化学电池的。能和化学电池的。5 5、通讯系统、通讯系统 气象卫星的通讯系统各不相同，都有各自的发送和接收频率。气象卫星的通讯系统各不相同，都有各自的发送和接收频率。6 6、全球卫星观测体系、全球卫星观测体系 静静

46、止止卫卫星星虽虽能能对对中中低低纬纬度度广广大大地地区区连连续续观观测测，但但观观测测不不到到南南北北极极区区，而而极极地地太太阳阳同同步步轨轨道道卫卫星星能能观观测测到到极极区区，但但对对中中低低纬纬度度地地区区不不能能连连续续观观测测。为为了了能能对对全全球球范范围围内内的的天天气气变变化化进进行行连连续续监监视视，可可以以将将静静止止卫卫星星和和极极地地太太阳阳同同步步卫卫星星组组合合一一起起，发发挥挥各各自自的的优优点点，克克服服其其短短处处，形形成成一一个个全全球球气气象象卫卫星星观观测测体体系系，实实行行对对全全球球大大气气的的监监视视。在在赤赤道道上上空空放放置置五五颗颗静静止止

47、卫卫星星，其其位位置置为为：00，70E70E，140E140E，140W140W，75W75W，极极地地太太阳阳同同步步卫卫星星两两个个，一一个个在在上上午午通通过过，另另一一个个在在下下午午通通过过各各地地，这这样样可可以以间间隔隔半半小小时时获获得得一一次次全全球球性性资资料料，为为了了有有效效地地覆覆盖盖地地球球，各各卫卫星星的的观观测测区区彼彼此此有较多重迭。有较多重迭。第30页，共34页，编辑于2022年，星期五第31页，共34页，编辑于2022年，星期五第32页，共34页，编辑于2022年，星期五第33页，共34页，编辑于2022年，星期五第34页，共34页，编辑于2022年，星期五