卫星运动基本的规律和气象卫星轨道概述
高三物理中轨道卫星知识点
高三物理中轨道卫星知识点一、引言在现代科技的高速发展中，轨道卫星作为一种重要的通信和科学研究工具，扮演着至关重要的角色。
了解轨道卫星的相关知识点，对于高三物理学习者来说至关重要。
本文将介绍一些关键的轨道卫星知识点，以帮助读者全面了解这一领域。
二、轨道卫星的概念轨道卫星是指绕地球等天体运行的人造卫星。
它通过自身的动力和重力相互作用，保持在固定的轨道上运行。
轨道卫星在通信、导航、天气预报等方面有着广泛的应用。
三、轨道的分类1. 圆形轨道：轨道卫星在圆形轨道上运行，其运行速度和运行周期相同。
这种轨道适用于通信卫星和天气卫星等。
2. 椭圆轨道：轨道卫星在椭圆轨道上运行，其运行速度和运行周期不同。
这种轨道适用于科学观测卫星和地球资源卫星等。
3. 地球同步轨道：轨道卫星在地球同步轨道上运行，其运行周期与地球自转周期相同。
这种轨道适用于通信广播卫星和气象卫星等。
四、轨道的参数1. 轨道半径：轨道卫星运行轨道的半径，通常以地球半径为参考。
2. 轨道倾角：轨道卫星轨道面与地球赤道面之间的夹角，倾角不同时卫星轨道走向也不同。
3. 轨道周期：轨道卫星绕地球一周所需的时间，与轨道半径有关。
4. 运行速度：轨道卫星沿轨道运行的线速度，与轨道半径有关。
五、轨道卫星的运行机理1. 地球引力：地球引力是轨道卫星保持在轨道上运行的关键力量。
地球对轨道卫星的引力提供了向心力，使其维持在相对固定的轨道上。
2. 轨道速度：轨道卫星必须具备一定的轨道速度，才能克服地球引力并保持在轨道上。
轨道速度与轨道半径相关，轨道半径越大，轨道速度越小。
3. 刹车火箭：轨道卫星在运行一段时间后，因为大气阻力等因素会导致其轨道受到一定的扰动。
在必要的时候，刹车火箭可以通过推力改变轨道卫星的速度和轨道，以保持其正常运行。
六、轨道卫星的应用1. 通信卫星：通过中继站，轨道卫星可以实现全球范围内的无线通信，包括电话、电视、互联网等。
2. 定位卫星：通过卫星定位系统，如GPS，轨道卫星可以提供准确的地理定位和导航服务。
卫星运动规律和气象卫星轨道
➢ （2）椭圆形轨道 ➢ 当e≠0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。
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)。
卫星运动规律和气象卫星轨道
卫星轨道参数
➢ 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。 ➢ ⑤倾角这是指卫星轨道平面与赤道平面之 ➢ 间的夹角。 ➢ ⑥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。
② 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.
③ 卫星的质量远小于地球,卫星对地球的作用可以忽 略不计.
④ 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.
⑤
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.
卫星绕地球运行遵循开普勒行星运 动三定律
➢ 地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例, ➢ 它只有一条.
卫星气象学讲义 第二章 卫星的运动和气象卫星
云图、云迹风、高垂直分辨率T、 P、Q廓线、云参数、OLR、SST、地表 特征、闪电分布
METEOSAT
MSG
主
自旋、3通道可见、
要
红外成像仪
自旋、12通道可 见红外成像仪
功 能
云图、云迹风、OLR、 SST、云参数
云图、云迹风、OLR、SST 云参数、地表特征
GOES 卫星
METEOSAT 卫星
第二章 卫星的运动和气象卫星
第一节 卫星的运动规律
一、卫星的运动方程
设想：① 地球、均质、理想球体，质心就是地心； ② 卫星—地球的距离≫卫星本身的大小，质点； ③ 卫星质量/地球质量，忽略卫星的质量； ➃ 忽略其它天体。
取地心为原点，地心指卫星近地点为极轴方向的平面极座 标系，根据引力定律可得到卫星在空间运动的方程组
面间的（升段）夹角。
升交点赤径（）：卫星由南半球飞
春分点 方向
往北半球那一段轨道称为轨道的升段；卫
星由北半球飞往南半球那一段轨道称为轨
道的降段；把轨道的升段与赤道的交点称
升交点。轨道的降段与赤道的交点称降交
点。升交点的位置用赤径表示。
偏心率（e）； 轨道半长轴（a）；
N’
D
r
A
B
倾角
F
轨道平面
NOAA-K 卫星
极轨业务气象卫星（续1）
发射国家
现状
未来发 展
中国
主 要 功 能
FY-1C、D
FY-3
10 通 道 可 见 光 、 红 外 扫 描 辐 射仪
可见红外线成像仪、高分辨 率红外分光计、微波成像仪、 微波辐射仪、、紫外臭氧探 测器、中分辨率成像光谱辐 射仪
卫星运动规律211天体运动三定律第一卫星运行的轨道是一个圆锥
卫星运动规律2.1.1 天体运动三定律第一,卫星运行的轨道是一个圆锥曲线(圆,椭圆,抛物线)e是偏心率,e=c/a,a是半长轴,c是焦距,太阳在其中的一个焦点上.e=0是圆轨道e1是双曲线轨道对于本文卫星遥感,轨道有e<1.第二,卫星的矢径在相等的时间内在地球周围扫过的面积相等h是一常数,是卫星角速度.对于椭圆轨道,在远地点,r最大,卫星角速度最小,近地点卫星角速度最大.卫星在轨道上面速度第三,卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比2.1.2 卫星发射速度卫星作为一个人造天体,服从天体运动规律.当卫星在绕地圆轨道上面运行时,假设轨道半径等于地球半径,a=r=Re此时,V1=7.912km/s,称为第一宇宙速度,它是地面的物体脱离地面的最小速度.若卫星速度继续加大,则卫星将绕椭圆轨道运行,当卫星入轨速度大到一定程度,卫星将脱离地球引力场,变成一颗行星,其轨道也将变成双曲线.此时,a,带入卫星轨道速度公式,,V2=11.2km/s,称为第二宇宙速度.若卫星的入轨速度大宇第二宇宙速度,则卫星将脱离地球成为一颗绕太阳系的行星.当卫星的入轨速度再加大到一定程度甚至可以脱离太阳系,此时速度称为第三宇宙速度V3=16.9km/s.显然,作为实现对地观测为目的的地球遥感卫星,它的轨道应该是椭圆轨道或者圆轨道.《航空航天科学技术-P42》§2.2 卫星轨道2.2.1 卫星轨道参数通常使用天球坐标和地理坐标系来描述卫星在空间的位置和运行规律.天球坐标系:地心为中心,天赤道为基本圈,春分点为原点.天球上面任一点用赤经和赤纬表示.赤经以春分点为起点,反时针方向量度,范围0-360度.赤纬以天赤道为0度,向南北两极为90°.天球坐标系不随地球自转而变.在天球坐标系内,描述轨道参数如下:a 倾角i:轨道平面与赤道平面的夹角,度量以轨道的上升段为准,从赤道平面反时针旋转到轨道平面的角度.b 升交点赤经:卫星有南半球飞往北半球那一段称为轨道的上升段,由北半球飞往南半球的那一段称为下降段.卫星轨道的升段与赤道平面的交点称为升交点.轨道降段与赤道平面的交点称为降交点.升交点的位置用赤经表示,它表示轨道平面的位置,也表示了轨道平面相对太阳的取向.c近地点角:指轨道平面内升交点和近地点与地心连线的夹角,表示了轨道半长轴的取向.d 轨道半长轴:轨道半长轴决定了卫星轨道的周期.e 偏心率e:确定了卫星轨道的形状.地理坐标系中的轨道参数卫星地面接收站在计算卫星轨道,对资料定位时,大多使用地理坐标系.卫星的位置用地球上面的经纬度表示,这种坐标系经度以英国格林威治天文台的子午线为0°,向东到180°为东经,向西到180°为西经,其纬度以赤道为0°,至南北两极为90°,赤道以南是南纬,赤道以北是北纬.A 星下点:卫星与地球中心连线在地球表面的交点成为星下点.由于卫星的运动和地球自转,星下点在地球表面形成了一条连续的轨迹(星下轨迹).B 升交点和降交点:其意义与天球坐标系内一样,只是用地理坐标系中的经纬度表示.由于地理坐标系随地球自转而自转,但是卫星轨道不随地球自转而转动,所以每条卫星轨道的升交点和降交点是不同的.C 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.所以卫星绕地球转一周后,地球相对卫星要转过一定的度数,这个度数称为截距.所以,截距是连续两次升交点之间的经度数.由于地球自转一周需要24小时,所以每小时转过15°.如果把地球看成是不动的,则卫星轨道相对地球每小时向西偏移15°.因而截距与周期的关系是:L=T×15°/小时.利用截距也能由某条轨道的升交点经度预测下一条轨道升交点的经度,n+1=nL,西经取"+",东经取"-"D 轨道数:卫星从发射到第一个升交点的轨道数规定为第零条,以后每过一个升交点,轨道数增加"1".2.2.2 常用的几种卫星轨道卫星遥感普通采用的轨道主要有极地轨道,太阳同步轨道和静止轨道.极地轨道轨道倾角接近90°,卫星从极地上空经过,因此可以探测南北两极地区.太阳同步轨道中卫星始终保持与太阳相同的取向,可以保证卫星上面的太阳能电池有充分的照明.静止轨道卫星相对于局地来说是静止不动的,因此可以进行时间连续观测.另外,就卫星轨道的高度和研究中为了获得合乎需要的数据,必须精心设计卫星轨道.比如,如果为了观测热带地区,卫星轨道的倾角应该较小,反之,如果为了观测到极区,应该选择大倾角轨道.在卫星观测中,特别是气象卫星观测中两类轨道尤其重要.A 近极地太阳同步轨道卫星轨道平面与太阳始终保持相对固定的取向.这种卫星轨道的倾角接近90°,卫星要在极地附近通过,有时候又称为近极地太阳同步轨道.卫星几乎在同一地方时经过各地上空.轨道平面随地球公转的同时,为了保持与太阳的固定取向,每天要自西向东作大约1°的转动.太阳同步轨道的特点:轨道近似为圆形,轨道预告,资料接收和资料定位都方便;可以观测全球,尤其可以观测两地极地区,观测时有合适的照明,可以得到充足的太阳能.虽然可以观测全球,但是观测间隔长,对某一地区,一颗卫星在红外波段可以取得两次资料,但是可见光波段只能取得一次资料.为了提高观测次数,只能增加卫星的数目.由于观测数目少,不利于分析变化快,生命短的小尺度过程,而且相邻两条轨道的资料也不是同一时刻的.地球同步轨道卫星轨道的倾角等于0°,并且卫星以等同于地球自转的周期且与地球自转方向相同的方向运行,这样的轨道称为地球同步轨道.由于卫星相对地面好像静止的一样,这样的轨道也称为静止轨道.由地球周期23小时56分04秒,以及卫星在轨道平面上面运动,可以计算卫星的高度:H=35860km,其速度V=3.07km/s.同步轨道的特点卫星高度高,视野广阔,一个静止卫星可以对地球南北70°,东西140个经度,约占地球表面1/3的面积进行观测.静止卫星可以对某一区域进行连续观测或者监测,有助于分析一些变化快,生命短的过程.然而,静止卫星不能观测南北两极地区,而且由于卫星离地面较高,为了得到较高的空间分辨率,对观测仪器的要求较高.由于卫星蚀(太阳地球和人造卫星成一直线)的原因,卫星上面必须有蓄电池以备卫星蚀期间太阳能电池不能工作时继续提供让卫星工作的电力.卫星轨道视要求可以采用其他的卫星轨道.总之,低轨道可以获得较大的图像分辨率,而高轨道卫星可以获得大覆盖范围内的图像.由于大气磨擦的因素,低轨道卫星的寿命通常较短,相比而言,高轨道卫星通常都设计成长寿命的.§2.3 卫星技术2.3.1 卫星发射将卫星从地面送到绕地的空间轨道的过程称为卫星发射.一般使用多极助推火箭来完成卫星发射任务,发射一般要经过以下几段:首先是垂直上升段,使得卫星脱离稠密的大气层,其次是转弯段,卫星在制导系统的控制下转弯,目的将火箭引向预定的轨道方向(转移轨道),并进入自由飞行阶段,此时火箭主要在惯性的作用下在转移轨道上飞行.最后,当卫星在转移轨道上面达到预定的高度和速度时候,卫星上的助推火箭再次点火,最后到达预定轨道应该具有的高度,速度和方向时,星箭分离,卫星入轨.关于卫星发射的具体细节,请参考有关资料.2.3.2 卫星姿态卫星作为遥感平台,它的姿态稳定性是遥感观测的基础.对地观测要求仪器视场指向某个固定的方向,因此需要对卫星姿态进行控制.通讯卫星自旋稳定图(1)自旋稳定.卫星在太空中绕自身对称轴以一定角速度旋转,卫星角动量守恒,卫星自转轴始终保持不变(陀螺原理).早期的泰罗斯卫星采用平动式自选稳定,卫星自旋轴在空间平动,仪器装在卫星的底部,因此在卫星旋转一周时间内只有部分时间取得资料.以后的艾萨卫星和静止卫星采用了滚轮式自旋稳定,自旋轴与轨道平面垂直,仪器装在卫星侧面,当仪器转到朝向地面时进行观测,卫星能在整个周期内获得资料.(2)三轴定向稳定是卫星在三个方向都保持稳定.这三个方向是(a)俯仰轴,与轨道平面垂直,控制卫星的上下摆动,(b)横滚轴,平行于卫星轨道平面且与轨道方向一致,控制卫星左右摆动,(c)偏航轴,指向地心,控制卫星沿轨道方向运行.在卫星绕地球转道一圈中,偏航轴与横滚轴方向要改变360°才能保持卫星姿态稳定.(3)姿态调整.卫星在轨道上面长期运行会出现轨道漂移.为了对卫星轨道进行修正,在卫星上面都装有轨道修正的气体喷射推进系统,通过喷气产生反作用力达到轨道修正的目的.2.3.3 卫星电源卫星上面的工作仪器需要电能才能工作.早期的卫星一般用蓄电池,但是其储存的能量有限,短期内就会用完.一旦卫星上面的能量用完,卫星就要停止工作.由于太阳能取之不尽用之不竭,故目前大多数卫星都采用太阳能电池.对于静止轨道卫星,还要考虑卫星蚀期间卫星的能源供应问题.卫星的能源供应能力是搭载遥感仪器时必须考虑的问题.2.3.4 通讯系统卫星通讯系统是卫星体系的一个重要组成部分.传感器获得的观测资料要依赖卫星上面的通讯系统收集,传输到地面资料中心,同时控制卫星工作的各种指令也依赖通讯系统发送.2.3.5卫星的结构和形状卫星在空间飞行,在飞行期间获得必要的能源,因此大多数卫星都有一对大的太阳能感光板,就像鸟的翅膀.考虑到卫星在太空的姿态稳定问题,通常卫星结构都具有某种轴对称性.考虑到发射火箭的载荷能力,卫星材料都用高强度,轻质量材料,在满足强度要求的同时尽可能减轻自身的重量,以便提供搭载尽可能多负载的能力.2.3.6 轨道摄动与轨道维护作用在卫星上的力除l了地球引力外,还有其他各种力.它们是地球的非球形引力,大气阻力,日,月和其他天体引力,太阳光压和电磁力等.这些力叫摄动力(perturbation force).摄动力和地球引力相比虽然很小,但仍然会使卫星偏离开普勒轨道.因此,摄动力为零时,6个轨道要素为常数,卫星运动轨道为开普勒轨道;摄动力不为零时,轨道要素是随时间变化的变量.为了使轨道保持在设计允许的范围内,必须对卫星施以外力(比如星上备有推力火箭),克服摄动力.实现轨道保持.有时候出于某种目的(比如尽可能延长卫星的使用寿命),需要对卫星运行轨道进行变更.同样这需要借助卫星上面配备的助推火箭来实现这一目的.2.3.7 卫星技术的发展趋势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.。
卫星是如何绕地球工作的
卫星是如何绕地球工作的卫星绕地球运行的工作原理基于天体力学和牛顿的万有引力定律。
下面是卫星绕地球工作的详细阐述：1.运行轨道：卫星一般位于地球的轨道上，这些轨道通常是椭圆形的。
椭圆轨道有两个焦点，其中一个焦点是地球的中心。
卫星沿着这些椭圆轨道绕地球运动。
2.速度和引力平衡：卫星绕地球运动时，它的速度必须与地球的引力平衡。
当卫星在距离地球较近的地方时，地球的引力较大，卫星会加速。
而当卫星在距离地球较远的地方时，地球的引力较小，卫星会减速。
这种速度和引力平衡使得卫星能够保持相对稳定的轨道。
3.地球引力对卫星的作用：根据牛顿的万有引力定律，地球对卫星施加引力，引力的方向指向地球的中心。
这个引力提供了卫星绕地球运动所需的向心力，使得卫星在轨道上继续运动。
4.轨道稳定性：为了保持稳定的轨道，卫星的速度和轨道高度需要适当调整。
如果卫星速度过快，它会脱离轨道并离开地球；如果速度过慢，它会向地球坠落。
因此，卫星的速度必须精确控制，以保持恰当的轨道高度和速度。
5.轨道调整：一些卫星会通过推进剂进行轨道调整，以保持其轨道高度和位置。
这些推进剂可以调整卫星的速度和方向，使其保持在预定的轨道上。
6.通信和数据传输：卫星绕地球运行时，可以通过接收和发送无线信号与地面站或其他卫星进行通信。
卫星可以接收地面站发送的信号，然后转发给其他地区，实现全球范围内的通信和数据传输。
需要注意的是，不同类型的卫星有不同的运行方式和任务。
例如，通信卫星用于无线通信，气象卫星用于气象监测，导航卫星用于定位和导航等。
每种类型的卫星都有特定的轨道和运行要求，但它们都基于上述的天体力学。
兰州大学《卫星气象学》第2章-卫星运动规律和气象卫星轨道分解
开普勒的三条行星运动定律改变了 整个天文学，彻底摧毁了托勒密复 杂的宇宙体系，完善并简化了哥白 尼的日心说。
约翰内斯·开普勒 Johannes Kepler （1571-1630）
德国物理学家
开普勒第一定律，也称椭圆定律、轨道定律：
每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在 椭圆的一个焦点中。
卫星的受力：
万有引力定律，以地心为原点的地球对卫星的引力表示为：
F (r) m m d d r m d d G rr M r m 2
式中F(r)表示吸引力， r是卫星的矢径，m是卫星质量
开普勒常数
G M 3 .9 8 6 0 3 2 1 0 1 4m 3 s -2
r
p
1ecos( 0)
当e1, 椭圆轨道，以地心为焦点, 焦点与椭圆中心不重合。 e=c/a偏心率，a半长轴，c是焦距。p= a(1 - e2)
近地点矢径rp= a（1- e） 远地点矢径ra= a（1+ e） 当e=1, 卫星脱离地球引力，抛物线轨道 当e1, 卫星脱离太阳系引力，双曲线轨道
a3 K T2
卫星轨道周期的平方与轨道 半长轴的立方成正比。
卫星轨道周期：指卫星在轨道上运行一周的时间
1. 椭圆轨道
T2 = 42a3 /
卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。
2. 圆轨道
T2 = 42(R+H)3 /
譬如： FY-1, H=830km, T=6080s=101.3min FY-2, H=35860km, T=24小时
若v < V1 ，则向心力>离心力而落向地面。 若v > V1，则离心力>向心力而脱离半径为6370km的圆轨道。
第四讲 卫星运动及卫星信号
29
3）伪随机噪声码及其产生
伪随机码——有良好的自相关性且按周期重复出现的二进制码。 产生：多级反馈移位寄存器；也可用程序产生。 111100010011010111100010011010
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码的产生
钟冲 1 置1脉冲
状态号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 各级状态1，2，3，4 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0
2
3 +
输出
4
输出
1
1 1 1 0 0 0 1 0 0
周日子夜零时置1脉 冲与钟冲1同时作用
31
四级移位寄存器产生的伪随机码的特性 码序列：111100010011010111100010011010 钟频：fc ； 码元宽度：τ0=1/ fc ； 码长：Nu=24-1=15bit；周期：T=τ0. Nu ； 自相关系数：对齐：1，不对齐：-1/15。 r级移位寄存器产生的伪随机码的特性： 码元宽度：τ0=1/ fc ； 码长：Nu=2r-1； 周期：T=τ0. Nu ； 自相关系数：对齐：1，不对齐：-1/(2r-1)。
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3、GPS的测距码
1）C/A码 两个10级移位寄存器产生两个伪随机码G1、G2。 G2平移1~1023码元，得1023个新码，与G1模二相加。不同卫星用不 同码。 钟频：1.023MHz； 码元宽度：0.97752μs， 码长：210-1= 1023bit， 周期： 0.97752μs ×1023=1ms， 测尺长度，300km， 测时精度： 0.97752μs /100=0.0097752μs， 测距精度：299792458m/s×9.7752×10-9=2.93m。
卫星运动规律
同步卫星、 近地卫星、赤道上与地球保持相对静止物体
多星系统
宇宙中几个星体相互吸引，绕同一个圆心做圆周运动， 彼此的相对位置保持不变。
A
O A
B
O
B
C
双星系统
基本特征：
A
r1 O
r2
m1
L
1、两星体受到的引力（向心力）相等
B 2、两星体的周期、角速度相等
m2
3、星体间距离不等于各自的转动半径 且r1+r2=L
A：
G
m1m2 L2ຫໍສະໝຸດ m1r1 2Gm2 L2
r1 2
B：
G m1m2 L2
m2r2 2
G
m1 L2
r2 2
双星系统
A r1 O
r2
m1
L
A：
m2
B：
G
m2 L2
r1 2
G
m1 L2
r2 2
常用结论：
m1 1、两星体的质量之比：m 2
r2 r1
2、设两星体质量之和为M，则： M
3、两星体转动的周期： T 4 2L3
特殊的卫星
1、近地卫星：
特征：轨道半径等于地球半径
轨道平面：任意一个过地球球心的平面
环绕周期：T
4 2R3
GM
5.06103 s 84.3min
用途： 观测卫星；军事卫星等
2、同步卫星： 特征：与地面保持相对静止
轨道平面：赤道平面
轨道有且只有一个， 在赤道平面内，周期24h，半径约为7R地 与地球自转周期相同的卫星轨道不唯一
卫星运动规律
卫星运动规律
1、卫星轨道
以地球球心为圆心（焦点）的圆周（椭圆）
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9
❖
近地点时，
(2.11)式可得
0
，由(2.7)式
rp
a1e2 a1e，代入
1e1
vp
a12ea 1
1e a1e
(2.12)
❖ 远地点时，va
1e a1 e
(2.13)
❖ 圆形轨道时，vc
a
RH
(2.14)
r r 极 赤 地 道 6 6 3 3 5 7 6 8 ..1 7 3 5 7 2 k k m m r 平 均 6 3 7 1 .0 0 9 k m v 1 v c 7 .9 1 2 k m /s ——卫星入轨最小速度/第一宇宙速度
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13
卫星运动三定律
❖ 例2：地球同步卫星的轨道离地表有多高？
卫星在轨运行的角速度与地球相同，即
代入(2.15)式，有
r3
2
，其中
2 T
Gme
G me2654.6. 92773 2365709001100 7.1 221 4k9N g2m 1125kg1205radsr42164h35786km
vcve 2vc (2.19) 当卫星入轨速度大至足以克服太阳引力时，便进入银河系，
成为恒星。此时，其入轨速度
v3 16.9km 。 s
卫星运动三定律
卫星轨道半长轴的三次方与其轨道运行周期二次方 的比值为常数。
r3 T2
4 2
T 2 a3
(2.15)
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12
卫星运动三定律
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20
矢量旋转法定位卫星
将矢径绕Z轴旋转近地点角 ，得 到新的矢径 r '（图2.5b） ：
x ' cos sin 0 x
y z
' '
sin 0
cos 0
0 1
y z
x cos y sin
x
sin
y
cos
z
(2.30)
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2
卫星的运动规律
北
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南
3
卫星的运动方程
d 2r
dt
2
r
d
dt
2
r2
r2
d
dt
h
=常数
(2.6)
其中：r 是卫星的矢径； 为幅角；
G M 3 .9 8 6 0 3 2 1 0 1 4m 3s2；
h 为积分常数。
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地心
轨道
v v
v r
4
角 ：
MM 0dd M t tt0 (2.28a)
0dd ttt0 (2.28b) 0dd ttt0 (2.28c)
和近点
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18
矢量旋转法定位卫星
确定卫星在轨道平面的位置：计算真近点角 和矢量 半径 r ：
M n t tp E e s in E( 2 .2 7 )
coscosEe (2.26)
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矢量旋转法定位卫星
将轨道平面绕X轴转动倾角 i ，得 到新矢径矢径 r '' （图2.5c）：
❖ 例1：NOAA卫星轨道离地表约850km，卫星周期 T = ？
T 2 a3 (2.15)
Gme G 6.67259 1011 Nm 2
kg
2
T
102 min
me 5.97370 1024 kg
r 6378 850 7228
❖ FY-1，H=830km，T=6080s=101.3min。
1ecosE
ra1eco sE (2 .2 5 )
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矢量旋转法定位卫星
在以地心为中心、轨道平面所在 的X-Y平面（近地点位于X轴正 向）所处的天球坐标系中，卫星 矢径的笛卡尔坐标可以表示为 （图2.5a）：
x r cos
y
r
sin
z 0
(2.29)
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卫星轨道参数
星下点轨迹
升交点/降交点
北
升段/降段
倾角
截距
轨道数
周期
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南
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卫星定位
卫星轨道参数
近点角：卫星在轨道平面内的升 交点与近地点之间的夹角。
❖平均近点角 Mnttp (2.20)
其中：平均角速度 n2T a3 (2.21)
已知卫星通过近地的时刻( t p )，可以确定任意时 刻( t )卫星的在轨位置。
卫星的运动方程
求解方程可得 r
h2
1 Ah2 cos
A 为积分常数。令 p h2 ，e Ap ，则
r p
1 ecos
——圆锥曲线，力心位于焦点上。
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卫星的运动方程
当e = 0，r p ，轨道为圆。
当e < 1，椭圆轨道，以地心为焦点，焦点与椭圆中
心不重合，e c a ，pa1e2。
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（远地点）
偏近点角
a 1 e2
E
c
c
真近点角 （近地点）
c o s c o sE e ( 2 .2 6 ) c o sE c o s e
1 e c o sE
1 e c o s
卫星定位
卫星定位的六个参数
❖ 轨道参数：半长轴 a ，偏心率 e ，倾角 i ；
❖ 通过计算获得的平均近点角 M ，升交点赤经
❖ 实现卫星椭圆轨道，必须克服地球引力，即
m r v2G m r2 em rm 2 v rR H vc
但是，当 a时，卫星轨道变成抛物线，卫星成为行
星。此时，由卫星活力公式(2.11)可得卫星入轨速度应为
v2vp2 r2vc11.2km s (2.18)
因此，实现椭圆轨道的入轨速度 v e 必须满足
卫星运动基本的规律和气象卫星 轨道概述
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卫星的运动规律
假设
❖ 地球为均质理想球体，质心在地心； ❖ 卫星质量<<地球质量，可忽略； ❖ 卫星自身尺度<<卫星-地球的距离，可视为质点； ❖ 忽略其它因素对卫星的作用力
那么，根据理论力学，卫星在地球引力（有心力） 作用下的运动为平面运动，该平面称为轨道面，轨 道面过地心。
❖ 近地点 rp a1e ； ❖ 远地点 ra a1e 。
a 1 e2
（远地点）
c
c
（近地点）
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卫星的运动方程
当e =1, 卫星脱离地球引力，抛物线轨道太阳行星 无法对地观测；
当e >1, 卫星脱离太阳系引力，双曲线轨道恒星 无法对地球观测。
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卫星运动三定律
卫星运行的轨道是一圆锥截线（圆、椭圆、抛物线、 双曲线），地球位于其中的一个焦点上。
圆 轨 道
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卫星运动三定律
卫星的矢径在相等的时间扫过的面积相等。 据此，可以推导出卫星在轨道上运行时的能量
W 1m v2-m-m(2.10)
2 r 2a
v22ra1 (2.11)——卫星活力公式