卫星遥感教案卫星轨道与卫星技术2004_卫星遥感影像技术

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卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 第二章

卫星轨道与卫星技术

卫星作为一个重要的空基平台，不仅要提供承载传感器的物理支持，还要提供电源供应、数据收发等辅助功能，这是内容将在卫星技术里面介绍。卫星轨道的选择取决于遥感数据的要求，将在介绍卫星运动规律的基础上介绍几种常用的卫星轨道。

2.1 卫星轨道

1卫星运动规律

卫星作为一个人造天体，服从天体运动规律。请参考理论力学、普通天文学等课程深入了解该部分内容

A 卫星轨道是一条圆锥曲线

卫星受到地心的万有引力作用绕地球运转其轨道在过地心的一个平面内。r  c a O 在极坐标下运动方程为：

2GMrrr

2hr2定义e＝c/a是偏心率，a是半长轴，c是焦距，P=a(1－e2)是半通径，是矢径与半长轴之间的夹角，此时轨道方程可以：

P1e2ra

1ecos1ecos偏心率e决定了卫星轨道的形状。至于用于对地遥感目的的卫星，其轨道是椭圆轨道（e

近地点，＝0°，ra＝a(1－e)远地点，＝180°，为：rp＝a(1＋e)

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 B 卫星在相同时间内扫过相同的面积 在极坐标下面积时间变化率dA/dt为：

dA121rhdt22

hrr显然，卫星高度越高，角速度越小，卫星运动速度越慢！

卫星在轨道上的能量

W1GMmGMmmv22r2a

21v2GM()ra此即卫星活力公式，以此可以推导远地点和近地点卫星运动速度！

C卫星轨道周期的平方与半长轴立方成正比

a3GM 22T4显然卫星周期只取决于半长轴，与其它参数无关！

天体运动规律只解决了卫星在轨上的运动状态。卫星由地面发射进入轨道则是由运载火箭来完成的，卫星在轨道上面的运行速度取决于入轨状态，因此对应于不同的运行轨道发射火箭的推力需求也不同，或者卫星入轨速度和姿态决定了卫星轨道形状！卫星轨道描述

在卫星对地遥感中，卫星空间位置是一个不可或缺的基本参数。一个没有轨道信息的卫星遥感资料是毫无价值的！

对卫星轨道的描述依赖具体的坐标系。在天文学以及天体物理学中，通常采用天球坐标系，这也是刻画卫星作为天体的运行轨道状态的最直观的描述体系，它不考虑地球的自转。在地面资料处理、卫星定位时通常使用地理坐标，它直接描述卫星相对地面的具体位置。

A 天球坐标系

以地心为中心，地球赤道平面所在平面为天赤道平面，地球两极与天球两极一致，这

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 样一个假想球为天球，它不随地球自转。天球上任意一点位置用赤经和赤纬表示。赤经以春分点为起点，反时针度量，以0-360°表示。赤纬由天赤道向南北两边至极地为90°。在天球坐标系下，描述卫星轨道需要以下几个参数：

图 天球坐标系

卫星轨道的空间取向参数：

倾角 赤道平面与卫星轨道平面的夹角。

升交点赤经：卫星由南半球飞北半球南段轨道称为轨道升段。轨道升段与赤道平面交点称为升交点。升交点位置用赤经表示，它表示轨道平面相对太阳的取向（赤纬是多少？）。太阳升交点赤经是多少？

卫星轨道形状参数

偏心率 确定卫星轨道形状 轨道半长轴：卫星运行周期

近地点角：轨道平面内升交点和近地点之间张角，它描述轨道半长轴空间取向

卫星在轨道上位置参数

平均近点角M：卫星通过近地点时刻为tp，则任意时刻t的平均近点角定义为：M=（t－tp），＝2/T。它描述任意时刻卫星在轨道上面的位置

卫星真近点角和偏近点角E 此时有开普勒方程将该参数联系起来：M＝E－esinE 3

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09

图 卫星真近点角和偏近点角E

B 地理坐标

地理坐标系以地球上面的经纬度表示轨道空间位置，它随着地球一起转动。在各种卫星定位中通常使用该坐标系。

星下点：卫星与地球中心连线在地球表面的交点。由于地球的自转和卫星绕地球的旋转，星下点在地面上形成一条连续的运动轨迹－星下点迹。

升交点与降交点：定义同天球坐标系，只是用地球坐标系来表示。由于地球自转，每圈轨道的升交点与降交点可能都是不同的。

截距：卫星绕地球公转的同时，地球不同的自西向东旋转，所以当卫星绕地球一周后地球相对卫星转过的角度称为截距。截距等于两个升交点之间的经度之差。由于卫星轨道相对地球每小时向西偏移15°，故截距与轨道周期和升交点经度之间的关系为：n+1－n ＝L＝T×15°/小时（西经取＋）

轨道数：从卫星入轨到第一个升交点为0轨道，以后每过一个升交点，轨道数目增加1。它描述了卫星在空间的飞行时间。

C 人造卫星经纬度随时间变化近似公式

在轨道定位中，有时候需要确切知道任意时刻卫星在轨道上的位置。摘自：

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卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 3常用卫星轨道简介

A 卫星轨道分为许多类，按照卫星轨道参数划分为前进轨道（倾角小于90°）、后退轨道、赤道轨道以及极地轨道。

前进轨道卫星顺地球自转方向运动，反之，后退轨道逆地球自转方向运动。赤道轨道卫星倾角为0°或者180°，卫星在赤道上空运行

极地轨道卫星倾角90°，卫星通过南北两极。由于地球自转，这一轨道可以实现全球覆盖。

按照卫星高度划分为低高度短寿命轨道，主要适合在军事卫星

中高度长寿命轨道，高度350-1500km，寿命在1年以上。既有较高的地面分辨率，又有较长的寿命，目前大多数民用遥感卫星都采用这类轨道。

高高度长寿命静止卫星

运行高度35800km，卫星寿命在几年以上，主要用于气象、广播、通讯领域。

按照卫星轨道形状又可划分为园轨道和椭圆轨道。圆轨道对于卫星轨道预告和资料定位十分方便。

B 近极地太阳同步轨道

卫星的轨道平面与太阳始终保持固定的取向，轨道倾角接近90°，有时又简称近极地太阳同步轨道或者极地轨道。卫星几乎以同一地方时经过世界各地。考虑到地球绕太阳公转的因素，必须使卫星轨道平面每天自西向东旋转1°。利用地球扁率引起的卫星轨道摄动来实现太阳同步轨道，卫星高度越高，实现太阳同步轨道的倾角也越大。对于TIROS-N系列，卫星高度870km，轨道倾角98.899°。

太阳同步轨道的有点：利用地球自转可以实现全球观测，尤其能够观测极区 在观测时有合适的照明，可以得到稳定的太阳能，保障卫星正常工作。

但该轨道时间分辨率低，对某个地区的观测时间间隔长，一颗极地太阳同步轨道卫星每天只能对同一地区观测两次，不能监视生命史短、变化快的过程。而且相邻两条轨道的观测资料不是同一时刻的，需要进行同化。

C 地球静止卫星轨道

轨道倾角为0°，卫星在赤道上面运行。卫星周期等于地球自转周期。由静止卫星周期T=23h56m04s，可以计算卫星高度 H＝35860km，,卫星在轨道运行速度V＝3.07km/s 优点：

卫星高度高、视野广，一颗静止卫星可以观测地球南北纬度70°东西经度140°约占地球表面1/3的面积

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 可以对某个地区进行连续观测，时间分辨率高

但是，不能观测两极，而且由于卫星高度高，对传感器灵敏度以及分辨率能力要求高，对卫星定位要求高：失之毫厘，差之千里。

另外，由于静止卫星只能位于赤道上空，其上能够容纳的卫星数量是有限的。因此，在设计静止卫星时，必须考虑富余设计，在卫星工作生命到期时用推力火箭将卫星推向更高高度成为宇宙垃圾，腾空原来卫星轨道！

D 轨道选择原则

从理论上来说，遥感卫星的空间轨道可以是任意的。具体到遥感应用的具体任务需求，却要求选择最有利的空间轨道。有时候，轨道选择对实现遥感任务是具体来说，选择卫星轨道应该遵循如下原则：

减小地球大气磨擦，H>200km 全球覆盖性的地球观测－极轨或者近极轨 保持恒定光照－太阳同步轨道 连续观测－静止轨道 地面高分辨率－低轨道

尽量选用圆轨道，方便轨道预报和卫星定位。

关于前苏联在1965年4月23日发射第一颗试验通讯卫星闪电1A成功进入一个绕地的独特轨道。其高度变化在600km－39650km之间。西方专家认为苏联原计划发射同步卫星，由于这样那样的原因未能达到预定轨道。事实上，这个轨道是有意选择的，对于处于高纬度地区的苏联来说它是最适合的轨道。苏联人机智地应用了第二运动定律（越高越慢），把卫星发射在与赤道成65°倾角的椭圆轨道上，这样既能照顾到苏联北部又能顾及南部。当卫星在赤道以北时，远离地球，这样，在卫星绕地一周12小时内有8小时在苏联上空，这真是一个聪明的解决办法。

2.2 卫星技术

卫星遥感是一项庞大的系统工程，卫星作为遥感传感器的空间承载平台，与地面平台截然不同，需要一些专门的技术以保障正常的观测活动能够顺利进行。卫星姿态控制

问题：在太空中，如何保持姿态稳定？

引：宇航员在太空中如何把一个香蕉传给同伴？儿童常玩的陀螺

卫星对地观测，通常要求传感器保持某种固定的对地姿态。比如，一般来说要求正对

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 地面观测，但有些特殊的卫星观测项目，比如临边、掩星观测则要求某些特殊的取向。因此卫星遥感中姿态控制是最基本的卫星技术。比如，我国早期的风云卫星在上天10多天后姿态控制就出了问题，卫星发生翻滚，导致整个卫星报废！在太空中，卫星姿态稳定采用陀螺原理。早期采用自旋稳定，卫星绕自身旋转，自旋轴在轨道平面内平动，仪器装在卫星底部，则在一个卫星周期内只有部分时间能够进行观测，后来采用滚轮式自旋稳定，自旋轴与卫星轨道平面垂直，仪器装在卫星侧面，当仪器转向朝向地面时进行观测，这样在整个周期内都能观测。现在的卫星大都采用三轴稳定：

俯仰轴，与轨道平面垂直，控制卫星上下摆动

横滚轴，平行轨道平面且与轨道方向一致，控制卫星左右摆动 偏航轴，指向地心，控制卫星沿轨道方向运行。

在卫星绕地一圈中，偏航轴与横滚轴改变360°才能保持姿态稳定。卫星电源

卫星需要庞大的电能为通讯系统、伺服系统以及传感器提供电力供应。卫星的供电能力是限制卫星载荷的一个重要因素。早期一般采用化学电池，容量有限，适合返回卫星。目前大都采用太阳能帆板电池。但是在通讯卫星上，考虑可能出现的卫星蚀，卫星上面必须配备蓄电池。

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 210-1-***TIME

调制过程通讯

卫星一旦进入轨道，通讯系统是地面与卫星之间进行联系的唯一途径。

卫星接收各种控制指令和发送各种状态，实时传输型遥感卫星，传感器获得的资料也必须借助通讯系统发回地面。通讯系统负责对卫星源数据进行调制，生成调制波，地面接收调制波，再经解调还原数据。通讯系统能力是制约卫星遥感的一大因素，特别是目前越来越突出。在有些卫星上面，特别是极轨卫星，当卫星不再地面接收区之外时还需要另外的资料暂存系统保存数据，在卫星再次飞临地面站上空时发送。卫星结构

由于受到运载火箭发射能力的限制，卫星设计要求采用高强度、轻重量的材料，在满足强度要求的同时尽可能减轻自身重要，以便尽可能多增加负载容量。另外，卫星在太空保持姿态稳定的需要，通常都设计成某种对称结构，现代卫星都有一对长长的太阳能帆板,以及固定指向的通讯天线。除此之外，现代卫星对空间电磁环境，空间热辐射的严格要求，也是卫星结构设计必须考虑的因素。

卫星在运行过程中，向阳面温度高，背阴面温度低，卫星的这种温差可以达到200℃。另外，用电功耗大的仪器会发热，需要将热量散发出去，处于低温环境的设备需要保温或加温，这些都要靠热控措施来解决。卫星的热控措施有被动热控和主动热控之分。被动热控就是为被控设备选择合适的表面涂层或隔热保温材料进行保温，或用散热好的材料散热。而主动热控则是以电控方法采用加热或通风的办法达到升温或降温的目的，以保证星上设备具有正常的温度环境。

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 5轨道摄动与轨道维护

除了地球引力外，高空稀薄大气阻力，日月及其它天体引力，太阳光压，电磁力等因素都会导致卫星偏离预定开普勒轨道。在卫星业务运行的整个阶段，必须时刻监测卫星的轨道运行状态。

另外，在卫星业务运行过程中，出于某种目的需要变更卫星轨道－比如改变观测计划（TRMM升轨），报废静止卫星轨道转移等。卫星技术发展趋势

材料科学和电子科学的飞速进步极大地促进了卫星技术的进步。纳米级的电子元器件、微米以至纳米级的微机电装置、星上信息处理技术、星间激光信技术、超轻型材料和充气式结构、高效太阳能空间电源系统和电推进系统等 ,将推动卫星技术进入一个崭新的时代。

高强度轻型材料的发展，可以大幅度地降低结构重量，大大提高有效载荷重量； 电路的高度集成化和微处理器执行指令速度的大大提高 ,电子系统的体积、重量和能耗都会大大下降，性能指标则大大提高。

高效太阳能空间电源系统有望使得能源供应容量成倍提高，为荷载更多传感器提供便利。

风云一号D星外观

作业：

卫星轨道与卫星技术－教案－2004/09 1 风云一号D星是我国自行研制的第一代太阳同步轨道气象卫星的第四颗星。该星总质量为958千克，轨道高度为870公里，轨道倾角为98.8度。另据报道，风云一号D环绕地球飞行第二圈时，５月１5北京时间上午１１时４４分３６秒，乌鲁木齐气象卫星地面站成功接收到第一张从“风云一号D”传回地面的云图。查找乌鲁木齐的地面经纬度，估算风云一号D星的轨道升交点赤度。美国国家大气海洋局发射的NOAA－6卫星近地点797km，远地点813公里，试估算该卫星的在轨速度。