静止轨道卫星观测杭州湾悬浮泥沙浓度的动态变化及动力分析_刘猛
泥沙研究
2013年2月Journal of Sediment Research第1期
静止轨道卫星观测杭州湾悬浮泥沙浓度的动态变化及动力分析
刘猛，沈芳，葛建忠，孔亚珍
（华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海200062）
摘要：利用静止轨道水色遥感卫星GOCI的一天多景数据，采用基于半经验辐射传输模型（SERT），反演获得杭州湾海区悬浮泥沙浓度的时空分布；结合三维无结构三角形网格的有限体积海洋数值模型（FVCOM），模拟卫星成像时刻杭州湾水位、潮流分布状况。综合分析结果表明：潮流变化是该海区在涨落潮、大小潮悬沙分布变化的主要影响因素；风浪作用导致杭州湾海域悬沙浓度枯季明显大于洪季。
关键词：静止轨道卫星；悬浮泥沙；动态变化；海洋数值模拟；杭州湾
中图分类号：TV148.5文献标识码：A文章编号：0468-155X（2013）01-0007-07
1引言
杭州湾位于浙江省北部，港口航道、滩涂及水产资源丰富。上海、宁波等经济开发区环绕南北，经济开发利用价值巨大［1］。杭州湾地形特殊，具有潮大、流急、含沙量高等特点，而高浓度含沙水体对港口影响巨大。因此，掌握杭州湾海区悬浮泥沙的变化规律，无疑对海区以后的工程决策、区域地形演变、沉积侵蚀速率有着重要意义［2］。多年以来，为了更加深入地了解杭州湾悬浮泥沙运动规律，很多学者以站点实测资料为基础，探讨了该海域悬沙变化问题。陈吉余等［3，4］依托长江口南汇嘴的实测泥沙和流速资料，分析了长江口到杭州湾的泥沙输移途径；针对杭州湾内浅滩、岛屿等的泥沙变化规律其他学者也进行了分析［5－8］。然而基于测船的实地调查，获得的数据比较离散，很难了解整个湾内的悬浮泥沙分布及变化全貌。由于卫星遥感具有覆盖面积大、多次重访的特点，有利于探测海域悬浮泥沙的连续分布和变化。早期，陈夏法［1］利用NOAA卫星影像对杭州湾悬浮泥沙进行了多实相的遥感分析；陈鸣等［9］利用Landsat和NOAA遥感资料联合监测了杭州湾的悬浮泥沙。21世纪以来，更多学者采用了Sea-WiFS、MODIS、MERIS海洋水色卫星数据观测杭州湾悬浮泥沙的分布［2，10，11］。
然而受卫星重访周期的限制，极轨卫星遥感反演最多只能获得每天某一时刻的悬沙分布，无法获得一个潮周期时间内悬沙分布的变化过程。由于潮周期内的流速变化和水位变化是杭州湾悬浮泥沙浓度变化的主要影响因素［12］，故结合连续时刻的悬沙遥感反演及卫星成像时刻海区的潮流情况，可为杭州湾海区悬浮泥沙分布及变化规律的揭示开辟一个新的途径。本文收集了覆盖杭州湾海区每小时重访的静止轨道水色卫星数据GOCI，利用Shen等［13］半经验辐射传输模型（SERT）反演杭州湾海域悬浮泥沙浓度；同时采用基于有限体积海洋数值模型FVCOM，模拟了卫星成像时刻前后的杭州湾海域的潮流分布，综合分析了杭州湾海域悬沙的浓度随不同潮情和季节的变异特性。
收稿日期：2012-09-07
基金项目：海洋公益性科研专项（200905001-9）；国家自然科学基金项目（50939003，41271375）；高等学校博士学科点专项科研基金（20120076110009）；河口海岸学国家重点实验室科研业务项目（2012KYYW02，2011RCDW03）作者简介：刘猛（1989－），男，江苏徐州人，硕士研究生，主要从事海岸带遥感及地理信息系统研究。
E-mail：liumeng_824@126．com
通讯作者：沈芳。E-mail：fshen@sklec．ecnu．edu．cn
7
2研究区域
杭州湾是一典型喇叭型强潮河口，基本呈东西走向，全长85km，湾口连线（芦潮港—镇海）宽98.5km，湾顶连线（澉浦—西山）宽19.4km，海湾水域面积4800km2。杭州湾口至湾顶乍浦海底地形平坦，平均水深8 10m，北部沿岸有一长度约为60km的深槽，其水深一般为10 15m，局部地区水深达20 40m［8］。杭州湾海区潮汐运动的基本能量来自西北太平洋，且以M
分潮起支配作用，潮汛性质属
2
于非正规半日潮。平均落潮历时略大于涨潮历时，从湾口芦潮港到湾顶澉浦，平均潮差从3.21m逐渐增大到5.57m［14］。图1中为模拟得到的2011年4月5日0：00－13：00的流速、流向的逐时过程图。如图1所示，湾内涨落潮流为往复流性质，但涨落潮方向南北有所差别。在湾内中部和南部地区，涨落潮流向基本呈NW-SE方向。在湾顶位置，出自钱塘江河口的落潮流，大部分过庵东浅滩转向东南，小部分沿杭州湾北岸深槽向东北流向湾口，在金山沿岸附近变为正东向，最后在长江口落潮流的影响下转向东南。海区内涨潮流方向基本上与落潮流相反。
图1杭州湾及模拟4月5日部分站位表层的流速、流向逐时过程线图
Fig．1Surface current velocities and directions at stations in Hangzhou Bay on April5，2011
3数据与方法
3.1GOCI数据
GOCI（Geostationary Ocean Color Imager）传感器搭载于由韩国2010年7月发射的世界上第一颗地球静止轨道水色卫星CMOS（Communication Ocean and Meteorological Satellite）。传感器设计地面分辨率500m，可实现以36?N和130?E为中心、2500km刈幅、每天10景的拍摄任务，其中8景成像时间在白天，2景在夜晚（红外）。白天的成像时间从地方时8：00－15：00每小时一次。表1列出了传感器其他部分信息。
表1GOCI传感器数据特性
Table1Characteristics of GOCI sensor
波段12345678中心波长/nm412443490555660680745865
波段带宽/nm2020202020102040
最大海洋辐亮度/（W/（m2·um·sr））150.0145.8115.585.258.346.2 3.023.4本文收集了2011年4月5日、12日和8月19日的时间覆盖为太阳高度角适中的9：00－14：00六个时刻共18景GOCI影像数据进行悬沙浓度的遥感反演。所选卫星影像成像时刻的潮流条件包括了涨潮和落潮，时间分布覆盖了洪、枯季。
3.2方法
3.2.1悬浮泥沙浓度的反演方法
8
本文采用基于半经验辐射传输模型（SERT ）的悬浮泥沙遥感反演模型［13］
，其表达式如下
R rs =（αβC ss ）/（1+βC ss +1+2βC 槡ss ）（1）
其中R rs 为遥感反射率（也称离水辐射反射率），C ss 为悬浮泥沙浓度，α、β为经验参数。考虑到宽范围悬沙浓度（如0.020 2.5g /L ）下可能出现的遥感反射率饱和，
Shen 等［13］通过敏感性分析提出了多波段转换的反演方案，提出较低悬沙浓度（如＜0.020g /L ）下R rs （555）敏感度较高，中等悬沙浓度（如＜0.20g /L ）下R rs （660）敏感相对较高，R rs （745）可反演高悬沙浓度（＞0.20g /L ），以提高宽范围悬沙浓度
的反演精度。GOCI 的3个波段555nm 、660nm 、745nm 转换参数见表2。表2
GOCI 选用波段在SERT 模型中的α、β值
Table 2
Two parameters of SERT model at candidate GOCI bands
波段/nm
555660745α0.0480.07210.0982β
43.8416
16.9754
2.5052
3.2.2
杭州湾潮流的数值模拟
杭州湾海区岛屿众多，岸线复杂多变，岛屿岸线对水流
方向起到十分重要的诱导作用。根据实测资料，湾内岛屿间水流垂向变化明显，存在明显的三维特征，杭州湾海区独特的地形和水动力特性对数值模拟方法的选择提出了要求。本文采用三维无结构三角形网格有限体积的河口近海数值模式FVCOM （Finite Volume Coastal Ocean Model ），模拟杭州湾海区对应卫星成像时刻的水位和潮流分布图。FV-
COM 应用在杭州湾海域有两个优点：（1）计算网格为无结构的三角形网格，可以准确的拟合杭州湾区域多岛
屿、
多汊道地区的岸线；（2）三维模式，可模拟流速的垂向变化，模型验证详见参考文献［15］
。4结果
利用SERT 模型反演得到了2011年4月5日、
4月12日和8月19日杭州湾海区表层悬浮泥沙浓度。限于篇幅，
文中只列出了表示4月5日9：00－14：006个时刻的表层悬沙浓度反演结果和对应时刻的表层流场分布（图2）；4月12日、
8月19日当日10：00的表层悬沙浓度反演结果（图3）。5
高时间频率悬浮泥沙浓度的时空分布变化
5.1
悬浮泥沙浓度的潮流周期性变化
5.1.1悬浮泥沙随涨、落潮的变化
杭州湾海区含沙量随涨落潮流的变化显著。如图2所示，杭州湾海区含沙量分布由北向南逐渐增加，且在湾口北部和庵东滩地前缘海区存在两个明显的高含沙量区。这与杭州湾涨落潮流流路基本吻合。在4月5日9：00－14：00期间，杭州湾湾内整体处于大潮涨潮中期到落潮初期阶段，如图2中潮流部分所示，由于湾口南部舟山岛屿的层层阻隔，杭州湾北部作为涨潮流的主要通道，水位抬升过程明显快于南岸。经南汇嘴进入杭州湾北岸水域的长江下泄泥沙［4，16－18］
，受NW 向涨潮流的顶托沿杭州湾北岸向湾顶输运。落潮时，钱塘江落潮流大部沿南岸而出，在庵东浅滩前缘，水流辐散，在潮流和风浪作用下，平均含沙量达到2.5g /L ，而后在偏南落潮流的作用下向湾口运移。用反演得到的每个时刻的悬沙浓度减去上个时刻的反演结果，可得到不同时刻间整个杭州湾海域的悬沙净变情况。在4月5日的结果中，有一明显的净增水团在靠近杭州湾北岸边向湾顶位置移动。在4月12日的结果中，随着落潮流的不断增大，杭州湾南岸悬沙浓度不断增加。这形成了杭州湾悬沙类似于“ ”形的北进南出的基本格局。
涨落潮流流路主要影响了杭州湾泥沙的整体运移趋势，而涨落潮流速的变化控制了悬沙浓度的变化趋势。如在4月5日的反演结果中，在图1中湾口P5点位置，当涨潮流速由1.47m /s 降到0.42m /s 时，对应的悬沙浓度从1.66g /L 减小到0.72g /L 。湾顶P13点位置，涨潮流速由1.64m /s 下降到0.68m /s 时，悬沙浓度从2.64g /L 降低到1.24g /L ；在4月12日的反演结果中，在P5点，当落潮流速从0.55m /s 增加到0.9m /s 时，悬沙浓度从0.117g /L 增加到0.226g /L ；湾顶P13点，当落潮流速从0.53m /s 增加到1.05m /s 时，悬沙浓度从0.106g /L 增加到0.293g /L 。
9
图2图2GOCI卫星数据反演的2011年4月5日大潮杭州湾海域表层悬浮泥沙浓度分布及对应
时刻的潮流分布（a－f分别代表9：00－14：00）
Fig．2Suspended sediment concentration（SSC）retrieved from GOCI data on April5，2011and corresponding
flow distribution in Hangzhou Bay（a－f represent9：00－14：00，respectively）在杭州湾海域，涨落潮流的变化是该海区悬沙分布变化的主要影响因素。其中，涨落潮流向主要影响潮周期内悬沙的整体分布，表现为涨潮时，泥沙沿北岸向湾顶运移，落潮时，泥沙随流沿南岸向湾口运移；流速的变化控制了悬沙浓度的总体趋势变化，表现为由潮流作用引起的泥沙再悬浮，在流速大小变
01
化时导致的泥沙浓度的差异。
5.1.2悬浮泥沙浓度随大、小潮的变化
对比图2（b）与图3（a），杭州湾悬浮泥沙浓度大潮明显大于小潮。由图1中所示的14个站位的大潮平均悬沙浓度为1.115g/L，小潮仅为0.295g/L，这显然与大小潮的流速变化有关。表3列举了图1中所示14个站位枯季大小潮的平均悬沙浓度及其比值与相应的平均最大流速及其比值。总体上，大、小潮的悬沙浓度的平均比值为3.8：1，平均最大流速比值为1.75：1，即流速增加1倍含沙量约增加2.2倍。因此，大小潮周期悬沙浓度的变化与潮流流速的变化之间关系密切。这与陈吉余等［4］在分析实测资料的基础上得到的结论是基本一致的。
表3枯季其它站点大小潮表层平均悬沙浓度和平均最大流速
Table3Averaged SSC and maximum velocities at other stations during spring and neap tides in April
点号
4月5日大潮4月12日小潮
含沙量/（g/L）流速/（m/s）含沙量/（g/L）流速/（m/s）
悬沙浓度比流速比
P10.71 1.140.200.64 3.49：1 1.78：1 P20.85 1.360.370.61 2.26：1 1.64：1 P30.76 1.520.250.92 2.99：1 1.66：1 P40.97 1.520.310.96 3.12：1 1.59：1 P5 1.12 1.520.180.82 6.26：1 1.85：1 P6 1.10 1.320.130.718.23：1 1.85：1 P7 1.00 1.380.320.85 3.12：1 1.63：1 P8 1.68 1.520.430.84 3.96：1 1.82：1 P9 1.11 1.500.050.8622.54：1 1.74：1 P10 1.13 1.380.200.84 5.77：1 1.64：1 P11 1.15 1.710.320.87 3.62：1 1.97：1 P12 1.21 1.560.130.839.56：1 1.87：1 P13 1.66 1.930.21 1.147.94：1 1.70：1 P14 1.16 1.68 1.030.92 1.13：1 1.83：1
纵观整个杭州湾内的悬沙浓度分布，不同位置的变化也比较大。在靠近湾顶及庵东浅滩位置，由于水流辐散，在水流及风浪的作用下悬沙浓度一直处于较高水平，而在湾顶群岛海域，由于岛屿间峡道作用的影响，悬沙浓度变化迅速且多样。
5.2悬浮泥沙浓度的季节性变化
对比反演得到的4月5日与8月19日同处于涨潮阶段的悬沙浓度分布，杭州湾海域枯季悬沙浓度明显大于洪季。表4给出了两天10：00时14个点位的悬沙浓度。整个杭州湾海区的悬沙浓度分布如图3所示，在枯季，平均80%的区域悬沙浓度大于0.8g/L，且最大值大于2g/L；在洪季，平均60%的区域悬沙浓度大于0.06g/L，但最大值小于0.8g/L。
图3GOCI卫星数据反演的杭州湾海域表层悬浮泥沙浓度分布（2011年）
Fig．3Suspended sediment concentration（SSC）retrieved from GOCI data in Hangzhou Bay（2011）
杭州湾海域处于长江口入海径流所携带泥沙的扩散范围，其泥沙来源主要为长江口径流输沙和潮
11
流携带来的海域泥沙，后者的最初来源亦为长江口［16－18］。长江入海泥沙的南向输运也具有明显的季节性，即枯季南向输运量较多，洪季输运量较少［19］。但杭州湾海区高悬沙浓度主要由潮流和风浪作用导致的泥沙再悬浮引起。以湾内滩浒为例，其全年平均泥沙再悬浮率为91.7%，枯季4月泥沙再悬浮率高达97.2%，远高于洪季8月的76.3%［20］。杭州湾海区位于季风区域，全年风浪作用明显，且冬半年平均波高大于夏半年［21］。枯季强劲的风浪扰动和潮流导致的泥沙再悬浮和垂向悬沙混合作用相较于洪季大大增强［4，16，19］，因此，由潮流和风浪作用引起的泥沙再悬浮作用导致了杭州湾海域冬季悬沙浓度明显大于夏季，这一结论在其它有关文献中也有证实［22，23］。
表44月5日与8月19日10：00时的悬沙浓度单位：g/L Table4GOCI-derived SSC at10：00on April5and August19，2011unit：g/L
点号p1p2p3p4p5p6p7 4月5日0.8010.9350.8050.853 1.047 1.032 1.026 8月19日0.0610.0990.1260.1010.2790.1270.106比值13．1?19．4?16．4?18．4?1 3.8?18.1?19.6?1点号p8p9p10p11p12p13p14 4月5日 1.506 1.009 1.0930.8450.655 1.2470.877 8月19日0.2760.1510.1130.0800.0930.2130.113比值 5.5?1 6.6?19.6?110.5?17.0?1 5.8?17.7?1
6结论
利用基于半经验辐射传输模型（SERT）的悬浮泥沙遥感反演模型和三维、无结构三角形网格、有限体积的河口近海数值模式FVCOM，综合了静止轨道卫星遥感大范围高频率覆盖与水动力精确模拟的优势，揭示了杭州湾海域悬浮泥沙的时空变化规律：
（1）涨落潮流流速和流向变化是杭州湾海区悬沙分布随涨落潮变化的主要影响因素：表现为涨潮时，泥沙沿北岸向湾顶运移，落潮时，泥沙随流沿南岸向湾口运移；流速的变化控制了悬沙浓度的总体趋势变化，表现为随着涨落潮流速的变化引起的泥沙再悬浮导致的泥沙浓度差异。
（2）潮流月周期变化引起的潮流流速的差异，导致大小潮周期悬沙浓度变化显著：大、小潮的悬沙浓度的平均比值为3.8：1，平均最大流速比值为1.75：1，即流速增加1倍含沙量约增加2.2倍。
（3）冬季强劲的风浪扰动和潮流作用引起泥沙再悬浮和垂向悬沙混合作用增强，导致了冬季海区悬沙浓度明显大于夏季。
具有每小时重访能力的静止轨道水色卫星GOCI在悬浮泥沙浓度反演上的应用，不仅突破了传统单点现场测量范围的局限性，也突破了极轨卫星最多一天一次重访周期获得的某一动力状态下的悬沙浓度分布，这为观测和分析一个潮周期内的悬沙分布及输运过程提供了强有力的技术支持。
参考文献：
［1］陈夏法．杭州湾悬浮泥沙多时相遥感分析［J］．环境遥感，1989，4（2）：127－135．
［2］杨华，许家帅，侯志强．洋山港海区悬浮泥沙运动遥感分析［J］．水道港口，2003，24（3）：126－130．
［3］Chen Jiyu，Zhu Huifang，Dong Yongfa．Development of the Changjiang Estuary and its submerged delta［J］．Continent-al Shelf Research，1985，4（1）：47－56．
［4］陈吉余，陈沈良，丁平兴，等．长江口南汇咀近岸水域泥沙输移途径［J］．长江流域资源与环境，2001，10（2）：166－172．
［5］王繁，周斌，徐建明，等．杭州湾悬浮泥沙浓度垂向分布规律分析与模拟［J］．浙江大学学报（工学版），2008，42（11）：2028－2033．
［6］谢文辉，陈沈良，谷国传，等．崎岖列岛邻近海域的水文泥沙特征［J］．东海海洋，2000，18（2）：1－8．
［7］李炎，谢钦春．杭州湾庵东浅滩地貌演变规律［J］．东海海洋，1993，11（2）：25－33．
［8］倪永强，耿兆铨，朱军政．杭州湾水动力特性研讨［J］．水动力学研究与进展，2003，18（4）：439－445．21
［9］陈鸣，李士鸿．应用Landsat和NOAA遥感资料联合监测杭州湾的悬浮泥沙［J］．泥沙研究，1989（3）：29－34．［10］吴传庆，王桥，杨志峰，等．长江口及南北海域泥沙遥感分析［J］．遥感技术与应用，2007，22（6）：707－711．［11］李云驹，常庆瑞，杨晓梅，等．长江口悬浮泥沙的MODIS影像遥感监测研究［J］．西北农林科技大学学报（自然科学版），2005，33（4）：117－121．
［12］陈沈良，谷国传．杭州湾口悬沙浓度变化与模拟［J］．泥沙研究，2000（5）：45－50．
［13］Shen Fang，Verhoef Wouter，Zhou Yunxuan，et al．．Satellite estimates of wide-range suspended sediment concentrations in Changjiang（Yangtze）Estuary using MERIS data［J］．Estuaries and Coasts，2010，33：1420–1429．
［14］谷国传，李身铎，胡方西．杭州湾北部近岸水域水文泥沙特性［J］．东海海洋，1987，5（4）：15–24．
［15］Ge Jianzhong，Chen Changsheng，Qi Jianhua，et al．．A dike-groyne algorithm in a terrain-following coordinate ocean mod-el（FVCOM）：Development，validation and application［J］．Ocean Modelling，2012，47：26–40．
［16］李久发．长江河口南汇潮滩泥沙输移规律探讨［J］．海洋学报，1990，12（1）：75－82．
［17］孔俊，叶荣辉，薛晓晓，等．南汇东滩对长江口与杭州湾泥沙交换的影响研究［J］．水道港口，2009，30（2）：77－81．
［18］恽才兴，蒋孟裔，王宝全．利用卫星象片分析长江入海悬浮泥沙扩散问题［J］．海洋与湖沼，1981（5）：390－403．
［19］刘红，何青，Gert Jan Weltje，等．长江入海泥沙的交换和输移过程———兼论泥质区的“泥库”效应［J］．地理学报，2011，66（3）：291–304．
［20］陈沈良，张国安，杨世伦，等．长江口水域悬沙浓度时空变化与泥沙再悬浮［J］．地理学报，2004，59（2）：260－266．
［21］陈沈良．崎岖列岛海区的水文泥沙及其峡道效应［J］．海洋学报，2000，22（3）：123－134．
［22］沈焕庭，李九发．长江河口水沙输运［M］．北京：海洋出版社，2011．
［23］曹沛奎，谷国传，董永发，等．杭州湾泥沙运移的基本特征［J］．华东师范大学学报（自然科学版），1985（3）：75–84．
Diurnal variation of suspended sediment concentration in Hangzhou Bay
from geostationary satellite observation and its hydrodynamic analysis
LIU Meng，SHEN Fang，GE Jian-zhong，KONG Ya-zhen
（State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai200062，China）
Abstract：A semi-empirical radiative transfer（SERT）model is employed to retrieve suspended sediment concen-tration（SSC）in the Hangzhou Bay using Geostationary Ocean Color Imager（GOCI）data that have8scenes in each day．A three-dimensional（3－D）unstructured-grid，free-surface，primitive equation，Finite-Volume Coastal Ocean Model（FVCOM）is applied to simulate tidal current distribution in the Hangzhou Bay at the moment of GO-CI overpass．Diurnal variation of the SSC distribution from the GOCI observation and hydrodynamic environment from FVCOM simulation are comprehensively analyzed．The results show that the SSC has a change with tide rise and fall during a tidal cycle．The flow changes should be the main impact factors on the SSC distribution in the Bay．The effects of wind-driven waves cause the SSC in winter larger than in summer．
Key words：geostationary satellite；suspended sediment；hydrodynamic analysis；numerical simulation；Hang zhou Bay
31
地球静止卫星轨道
地球静止卫星轨道 若卫星轨道倾角为0°，赤道平面与轨道平面重合，则卫星在赤道上空，并且卫星的轨道周期等于地球的自转周期，其旋转方向相同，这样的轨道称做地球同步卫星轨道。从地面上看，这种轨道上的卫地球赤道上某一点不动，故又称静止卫星轨道。实现地球同步轨道，必须满足以下条件： ①卫星运行方向与地球自转方向相同； ②轨道倾角为0°； ③轨道偏心率为0，即轨道是圆形的； ④轨道周期等于23小时56分04秒，即等于地球自转周期。静止卫星的高度为35860公里。 事实上，静止卫星轨道不完全是圆形，带有一点椭圆形，在一天当中轨道半径时大时小，轨道半径偏大时，卫星速度减小，其相对地
球就要向西漂移，否则要向东漂移。另外卫星的轨道倾角也不正好为0°，这时卫星作南北漂移。若卫星轨道有点椭圆形，又有一点倾角，则卫星星下点轨迹是上面两种结果的合成，使得每天星下点轨迹为“8”字形。五颗静止气象卫星 卫星在赤道上空运行，基本上有三个要求。一个要求是卫星悬在宇宙中间，即不能掉下来(落到地球上)，也不能远离地球飞向宇宙。这就要求卫星所运行的轨道，每处都恰能使卫星对地球的离心力和地球对卫星的向心力大小相等、方向相反。第二要求是卫星与地球同步。卫星的公转周期与地球自转周期相同。卫星围绕地球的转动为公转，其轨道在赤道上空35800km高的圆形(或近似圆形，因为典型的静止卫星轨道的参数是：远地点距离为35900公里，近地点距离是35885公里，所以近似为圆。)轨道上。地球自南极至北极连接一直线为轴的旋转为自转。卫星公转周期的时间和方向同地球自转的时间为23小时56分相同，方向同样是自西向东即为同步。第三要求从地球上看，卫星是静止不动的。是停留在地球上空的某一个点、不动的一个
地球静止卫星轨道
5·地球静止卫星轨道 若卫星轨道倾角为0°，赤道平面与轨道平面重合，则卫星在赤道上空，并且卫星的轨道周期等于地球的自转周期，其旋转方向相同，这样的轨道称做地球同步卫星轨道。从地面上看，这种轨道上的卫地球赤道上某一点不动，故又称静止卫星轨道。实现地球同步轨道，必须满足以下条件： ①卫星运行方向与地球自转方向相同； ②轨道倾角为0°； ③轨道偏心率为0，即轨道是圆形的； ④轨道周期等于23小时56分04秒，即等于地球自转周期。静止卫星的高度为35860 公里。 事实上，静止卫星轨道不完全是圆形，带有一点椭圆形，在一天当中轨道半径时大时小，轨道半径偏大时，卫星速度减小，其相对地球就要向西漂移，否则要向东漂移。另外卫星的轨道倾角也不正好为0°，这时卫星作南北漂移。若卫星轨道有点椭圆形，又有一点倾角，则卫星星下点轨迹是上面两种结果的合成，使得每天星下点轨迹为“8” 字形。 五颗静止气象卫星 卫星在赤道上空运行，基本上有三个要求。一个要求是卫星悬在宇宙中间，即不能掉下来(落到地球上)，也不能远离地球飞向宇宙。这就要求卫星所运行的轨道，每处都恰能使卫星对地球的离心力和地球对卫星的向心力大小相等、方向相反。第二要求是卫星与地球同步。卫星的公转周期与地球自转周期相同。卫星围绕地球的转动为公转，其轨道在赤道上空35800km高的圆形(或近似圆形，因为典型的静止卫星轨道的参数是：远地点距离为35900公里，近地点距离是35885公里，所以近似为圆。)轨道上。地球自南极至北极连接一直线为轴的旋转为自转。卫星公转周期的时间和方向同地球自转的时间为23小时56分相同，方向同样是自西向东即为同步。第三要求从地球上看，卫星是静止不动的。是停留在地球上空的某一个点、不动的一个点。要满足这三条只要卫星运行的轨道与赤道面重合时，从地球上看卫星是静止不动的称为静止卫星，称这样运行的轨道为静止轨道。
GPS卫星的坐标计算
第三章GPS 卫星的坐标计算 在用GPS 信号进行导航定位以及制订观测计划时，都必须已知GPS 卫星在空间的瞬间位置。卫星位置的计算是根据卫星导航电文所提供的轨道参数按一定的公式计算的。 3.1卫星运动的轨道参数 3.1.1基本概念 1.作用在卫星上力 卫星受的作用力主要有：地球对卫星的引力，太阳、月亮对卫星的引力，大气阻力，大气光压，地球潮汐力等。 中心力：假设地球为匀质球体的引力（质量集中于球体的中心），即地球的中心引力，它决定卫星运动的基本规律和特征，决定卫星轨道，是分析卫星实际轨道的基础。此种理想状态时卫星的运动称为无摄运动，卫星的轨道称为无摄轨道。 摄动力：也称非中心力，包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、大气光压、地球潮汐力等。摄动力使卫星运动产生一些小的附加变化而偏离理想轨道，同时这种偏离量的大小随时间而改变。此种状态时卫星的运动称为受摄运动，卫星的轨道称为受摄轨道。 虽然作用在卫星上的力很多，但这些力的大小却相差很悬殊。如果将地球引力当作1的话，其它作用力均小于10-5。 2.二体问题 研究两个质点在万有引力作用下的运动规律问题称为二体问题。 3．卫星轨道和卫星轨道参数 卫星在空间运行的轨迹称为卫星轨道。 描述卫星轨道状态和位置的参数称为轨道参数。 3.1.2卫星运动的开普勒定律 （1）开普勒第一定律 卫星运行的轨道为一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合。此定律阐明了卫星运行轨道的基本形态及其与地心的关系。由万有引力定律可得卫星绕地球质心运动的轨道方程。r 为卫星的地心距离，as 为开普勒椭圆的长半径，es 为开普勒椭圆的偏心率；fs 为真近点角，它描述了任意时刻卫星在轨道上相对近地点的位置，是时间的函数。 （2）开普勒第二定律 卫星的地心向径在单位时间内所扫过的面积相等。表明卫星在椭圆轨道上的运行速度是不断变化的，在近地点处速度最大，在远地点处速度最小。 近地点 远地点 s s s s f e e a r cos 1)1(2+-=
面向LTE的静止轨道卫星通信系统随机接入方式
第11卷 第5期 太赫兹科学与电子信息学报Vo1．11，No．5 2013年10月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Oct．，2013 文章编号：2095-4980(2013)05-0707-05 面向LTE的静止轨道卫星通信系统随机接入方式 陈坤汕，王大鸣，徐 尧 (解放军信息工程大学 信息系统工程学院，河南 郑州 450002) 摘 要：针对长期演进计划(LTE)系统和卫星移动通信系统融合中接入方式存在的问题，提出了一种面向LTE的静止轨道(GEO)卫星移动通信的随机接入方式。该方式参考了卫星通用通信系统 (S-UMTS)和长期演进计划系统的随机接入方式设计，对接入前导和接入时隙作适应性修改，并提出 了一种新的用户随机接入流程。通过随机接入时隙长度的扩展，将控制信息加入到接入前导中， 解决了GEO卫星环境下用户接入时间长和用户之间时延差大的问题；提出的用户随机接入流程， 有效改善了用户的接入时间性能。仿真结果表明，提出的随机接入方式适用于面向LTE的GEO卫 星通信系统。 关键词：长期演进计划；一种随机接入系统；静止轨道；保护间隔；接入前导；接入流程 中图分类号：TN925 文献标识码：A doi：10.11805/TKYDA201305.0707 Random access method for GEO satellite communication system-oriented LTE CHEN Kun-shan，WANG Da-ming，XU Yao (Institute of Information Engineering，PLA Information Engineering University，Zhengzhou Henan 450002，China) Abstract：According to Long Term Evolution(LTE) system and satellite mobile communication system integration of access problems，a Random Access Method is presented for Geosynchronous Orbit(GEO) Satellite Communication system-oriented LTE. Based on the random access design in S-UMTS system and LTE system, a new structure of access preamble and slots is proposed and a new procedure of transmitting access request corresponding to the new structure is suggested. In the new structure, the problems such as long access time and different long transmission delays in GEO satellite communication environment are improved by increasing the length of access slot and adding control information to access preamble. The proposed access procedure effectively improve the performance of the access time. Simulation results show that, the proposed scheme is suitable to the GEO satellite communication system-oriented LTE. Key words：Long Term Evolution；Additive Link On-line Hawaii(ALOHA) system；Geosynchronous Orbit； guard time；access preamble；access procedure 近年来卫星移动通信与3G系统的融合正在实践过程中，LTE体制也已经成熟，但是LTE系统与GEO卫星通信的融合[1]还处于起步阶段。卫星通信环境的特殊性，给正交频分复用[2–3](Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)为关键技术的LTE系统在卫星上的应用带来众多技术上的挑战。多址接入作为融合的关键因素，也成为国内外研究的重点。 LTE系统采用的随机接入(ALOHA)方式是基于资源预留的时隙方式[4–5]。时隙ALOHA运用于GEO卫星移动通信中，由于卫星通信时延大，波束覆盖范围广(半径往往超过300 km)，用户分布随机，需要面对卫星用户接入时间长和用户之间时延差大的问题。而且卫星信道环境下信号传播损耗大，用户频繁重新接入导致接入功率攀升严重，影响系统性能。文献[6]提出了一种扩展接入前缀长度的时隙ALOHA方式，其增加了接入前缀的捕获概率，但对于卫星移动终端的接入时间性能没有带来改善。文献[7]中，提出了一种GEO卫星CDMA(Code Division Multiple Access)移动通信系统下的随机接入方式，其提高了在码分多址(CDMA)系统环境下的用户接入时间性能，但其基于码片的帧结构和其接入消息的设置并不适用于基于OFDM的LTE系统。针对以上问题，结合参考第3 收稿日期：2012-09-10；修回日期：2012-09-27 基金项目：国家科技重大专项基金资助项目(2011ZX03003-003-02；2009ZX03003-008-02)；国家高技术研究发展计划基金资助项目(“863”计划) (2009AA011504)
CEI对静止轨道共位卫星的轨道确定
第36卷第5期2011年5月武汉大学学报 信息科学版 Geo matics and Informat ion Science of W uhan U niver sity V ol.36N o.5M ay 2011 收稿日期:2011 03 15。 项目来源:国家自然科学基金资助项目(40974019)。 文章编号:1671 8860(2011)05 0605 04文献标志码:A CEI 对静止轨道共位卫星的轨道确定 李晓杰1 杜 兰1 黄 金2 (1 信息工程大学测绘学院,郑州市陇海中路66号,450052) (2 61768部队,三亚市田独镇2019信箱,572011) 摘 要:主要考察了CEI 对静止轨道共位卫星的轨道确定能力。仿真结果表明,利用CEI 对共位卫星进行定轨时,需采用基线阵列。对于110 E 共位卫星采用三亚 昆明基线阵列、10km 基线和2d 的数据,可使绝对轨道精度达百米级;外推至14d 时,相对轨道精度保持在m 级。同样,要使绝对和相对轨道精度达到相同的量级,对于80 E 共位卫星,需选用昆明 三亚基线阵列、100km 基线和1d 的观测弧段;对于140 E 共位卫星,需选用上海 三亚基线阵列、50km 基线和2d 的观测弧段。关键词:CEI;地球静止轨道;多星共位;基线阵列;精密定轨中图法分类号:P228.1 自20世纪70年代末国外提出地球静止轨道多星共位技术以来,一点多星技术既充分利用了轨道资源,又增加了某一轨道位置的通信容量。目前,采用多星共位技术共位卫星的数量多为2颗,双星共位技术的研究是今后多星共位发展的基础[1]。在共位卫星所研究的问题中,防止卫星相互碰撞是最基本的问题。为了防止在同一经度窗口中的共位卫星发生潜在的相互碰撞,应对其进行高精度的轨道确定和轨道预报,间隔一定的时间进行一次定点保持机动[2 4]。 相位干涉测量是一种基于飞行器下行信号的被动测角跟踪方法,其中中短基线相位干涉测量(co nnected element interferometry,CEI)通过一条光纤通信链路向相距10~100km 的两个地面站发送同一个频率标准,两站之间形成一条短基线,用它可以精确测量航天器发射来的载波信号在两个站之间的相位延迟,从而精确测角,是国外广泛使用的一种中精度角度测量系统。CEI 技术具有基线短、布网灵活、实时性好等特点,非常适用于对同步轨道及其以内地球卫星的现有测控手段进行增强和补充[5,6]。日本早在80年代末已将短基线相位干涉技术用于并轨的同步卫星间的实时精密轨道监控,而俄罗斯一直把短基线相位干涉作为低轨卫星的日常监测技术[7]。我国短基线 相位干涉技术多年来集中应用在技术侦察部门, 具有较好的设备和技术力量。本文以CEI 差分相位延迟为观测量,讨论了采用单组CEI 基线和基线阵列时定点在110 E 共位双星的绝对、相对轨道精度,并给出了分别定点在80 E 和140 E 共位双星的轨道精度。 1 CEI 差分相位干涉延迟测量的定 轨原理 对测量精度要求较高的近距离导引段两航天器的距离较近,影响测量精度的各种误差具有较强的相关性,因此,观测量选取差分CEI,组差以后可以消去大部分误差项。相位干涉测量得到的是同一个信号波前到达基线两端天线的相对相位。选择合适的两条长度为数十至数百公里的正交基线建立三个测站,每条基线上,如果在某时段内能同时观测到目标附近的一个轨道精确已知的参考源(如射电源或其他GEO 卫星等),则有差分相位干涉观测方程[5] : + N =R A (t 1)-r (t 0)-R B (t 2)-r (t 0)-R A (t 1)-r 0(t 0)+ R B (t 2)-r 0(t 0)+ atm + ins + d + (1)其中, 和 N 分别为相位观测量之差和整周模
卫星轨道参数计算
卫星轨道平面的参数方程： 1cos( ) p e r r ：卫星与地心的距离 P ：半通径（2 (1)p a e 或21p b e ） θ：卫星相对于升交点角 ω：近地点角距 卫星轨道六要素： 长半径a 、偏心率e 、近地点角距ω、真近点角f （或者卫星运动时间t p ）、轨道面倾角i 、升交点赤径Ω。
OXYZ─赤道惯性坐标系，X轴指向春分点T ； ON─卫星轨道的节线（即轨道平面与赤道平面的交线），N为升交点； S─卫星的位置； P─卫星轨道的近地点； f─真近点角，卫星位置相对于近地点的角距； ω─近地点幅角，近地点到升交点的角距； i─轨道倾角，卫星通过升交点时，相对于赤道平面的速度方向； Ω─升交点赤经，节线ON与X轴的夹角； e─偏心率矢量，从地心指向近地点，长度等于e； W─轨道平面法线的单位矢量，沿卫星运动方向按右旋定义，它与Z轴的夹角为i； a─半长轴； α，δ─卫星在赤道惯性坐标系的赤经、赤纬。 两个坐标系：地心轨道坐标系、赤道惯性坐标系。 地心轨道坐标系Ox0y0z0：以e e 1为x0轴的单位矢量，以W为z0轴的单位矢量，y0轴的单位矢量可以由x0轴的单位矢量与z0轴的单位矢量确定，它位于轨道平面内。 赤道惯性坐标系：OXYZ,X轴指向春分点。 由地心轨道坐标系到赤道惯性坐标系的转换： 1.先将地心轨道坐标绕W旋转角（-ω），旋转矩阵为R Z(-ω)； 2.绕节线ON旋转角（-i），旋转矩阵为R X(-i)； 3.最后绕Z轴旋转角（-Ω），旋转矩阵为R Z(-Ω)； 经过三次旋转后，地心轨道坐标系和赤道惯性坐标系重合。 在地心轨道坐标系中，卫星的位置坐标是： 0 0 0 cos sin 0 x r f y r f z
卫星的运动 卫星相关参数,摄动力,星历,卫星位置的计算
卫星的轨道 ?一、基本概念：轨道；卫星轨道参数；正常轨道；摄动轨道 ?二、卫星的正常轨道及位置的计算 ? 1.开普勒三定律 ? 2.三种近点角 ? 3.卫星轨道六参数 ? 4.卫星的在轨位置计算 1.开普勒（Johannes Kepler）三定律 ?开普勒第一定律 人造地球卫星的运行轨道是一个椭圆，均质地球位于该椭圆的一个焦点上。 ?开普勒第二定律 卫星向径在相同时间内所扫过的面积相等。 ?开普勒第三定律 卫星环绕地球运行的周期之平方正比于椭圆轨道长半轴的立方。 2.三种近点角 ?真近点角 当卫星处于轨道上任一点s时，卫星的在轨位置便取决于sop角，这个角就被称为真近点角，以f表示。 ?偏近点角 若以长半轴a做辅助圆，卫星s在该辅助圆上的相应点为s’，连接s’o’，s’o’p
角称为偏近点角，以E表示。 ?平近点角 在轨卫星从过近地点时元t p开始，按平均角速度n0运行到时元t的弧，称为平近点角。
3.卫星轨道六参数 ?长半轴（a）—— 卫星椭圆轨道的长半轴； ?偏心率（e）—— 卫星椭圆轨道的偏心率，是焦距的一半与长半轴的比值； ?真近点角（f）——在椭圆轨道上运行的卫星S，其卫星向径OS与以焦点O指向近地点P的极轴OP的夹角。 ?轨道平面倾角（i）—— 卫星轨道平面与天球赤道平面的夹角； ?升交点赤经（Ω）—— 升交点（N），是由南向北飞行的卫星，其轨道与天球赤道的交点。地球环绕太阳公转的一圈中有一个点（即日历上表示的春分时间），它反映在天球赤道平面上的固定位置，叫做春分点。升交点赤经是春分点轴向东度量到升交点的弧度； ?近地点角距（ω）—— 是由升交点轴顺着卫星运行方向度量到近地点的弧长.
ITU-RS1002建议书-对地静止卫星轨道的环保问题-unoosa
ITU-R S.1003-2 建议书 (12/2010)对地静止卫星轨道的环保问题 S 系列 卫星固定业务
ii ITU-R S.1003-2 建议书 前言 无线电通信部门的作用是确保所有无线电通信业务，包括卫星业务，合理、公平、有效和经济地使用无线电频谱，并开展没有频率范围限制的研究，在此基础上通过建议书。 无线电通信部门制定规章制度和政策的职能由世界和区域无线电通信大会以及无线电通信全会完成，并得到各研究组的支持。 知识产权政策（IPR） ITU-R的知识产权政策在ITU-R第1号决议附件1引用的“ITU-T/ITU-R/ISO/IEC共同专利政策”中做了说明。专利持有者提交专利和许可声明的表格可从http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en获得，该网址也提供了“ITU-T/ITU-R/ISO/IEC共同专利政策实施指南”以及ITU-R专利信息数据库。 ITU-R 建议书系列 （可同时在以下网址获得：http://www.itu.int/publ/R-REC/en） 系列标题 BO 卫星传输 BR 用于制作、存档和播放的记录；用于电视的胶片 BS 广播业务(声音) BT 广播业务(电视) F 固定业务 M 移动、无线电测定、业余及相关卫星业务 P 无线电波传播 RA 射电天文 RS 遥感系统 S 卫星固定业务 SA 空间应用和气象 SF 卫星固定和固定业务系统之间频率共用和协调 SM 频谱管理 SNG 卫星新闻采集 TF 时间信号和频率标准发射 V 词汇和相关课题 注：本ITU-R建议书英文版已按ITU-R第1号决议规定的程序批准。 电子出版 2011年，日内瓦 ITU 2011 版权所有。未经国际电联书面许可，不得以任何手段复制本出版物的任何部分。
卫星星历计算和轨道参数计算编程实习(精)
专业:地图学与地理信息工程(印刷 班级:制本49—2 学号:3272009010 姓名:张连杰 时间:2012/9/21 一、概述 在C++6.0中建立基于单文档的MFC工程,利用简洁的界面方便地由卫星轨道根数计算卫星的实时位置和速度,并可以根据卫星的星历反求出卫星轨道根数。 二、目的 通过卫星编程实习,进一步加深理解和掌握卫星轨道参数的计算和卫星星历的计算方法,提高编程能力和实践能力。 三、功能 1、由卫星位置与速度求取卫星轨道参数; 2、由卫星轨道参数计算卫星星历。 四、编程环境及工具 Windows7环境,VC++6.0语言工具 五、计划与步骤 1.深入理解课本上的星历计算方法和轨道根数的求取方法,为编程实习打下算法基础; 2.学习vc++对话框的设计和编程,解决实习过程中的技术难题;
3.综合分析程序的实现过程,一步步编写代码实现。 六、程序异常处理 1.在进行角度转换时候出现的问题导致结果错误。计算三角函数时候先要把角度转换成弧度进行计算,最后输出结果的时候需要再把弧度转换回角度输出。 2.在计算omiga值得时候的错误。对计算出的omiga值要进行象限的判断,如果不符合条件要加或减一个周期pi(因为是反正弦函数。 七、原创声明 本课程设计报告及相应的软件程序的全部内容均为本人独立完成。其间,只有程序中的中间参量计算值曾与同学共同讨论。特此声明。 八、程序中的关键步骤和代码 1、建立基于单文档的名字为TrackParameter的MFC工程。 2、在资源视图里面增加一个对话框改属性ID为IDD_DIALOG1,在新的对话框IDD_DIALOG1上面添加控件按钮,并建立新的类CsatelliteDlg. 3、在菜单栏里面添加菜单实习一,并添加命令响应函数OnMenuitem32771(,在该函数中编写代码 CsatelliteDlg dlg; dlg.DoModal(; 这样执行时候调出对话框satelliteDlg. 4.在对话框satelliteDlg中的OK按钮的消息响应函数中添加相关赋值和公式计算代码。 5.按照以上步骤设计实习二。
卫星轨道种类
简单的说：所有的地球卫星都是靠万有引力（或者可以叫做重力）充当向心力，所以，万有引力指向地心，而向心力的“心”也是地心，一句话：所有的地球卫星都是围绕地心做圆周运动的（无论是极地卫星、同步卫星还是一般卫星）。 下面有一篇文章对卫星有比较详细的论述，你看看。 人造地球卫星原理2008-06-10 下午08:24“人造卫星”就是我们人类“人工制造的卫星”。科学家用火箭把它发射到预定的轨道，使它环绕着地球或其他行星运转，以便进行探测或科学研究。围绕哪一颗行星运转的人造卫星，我们就叫它哪一颗行星的人造卫星，比如最常用于观测、通讯等方面的人造地球卫星。 地球对周围的物体有引力的作用，因而抛出的物体要落回地面。但是，抛出的初速度越大，物体就会飞得越远。牛顿在思考万有引力定律时就曾设想过，从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次离山脚远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星，简称人造卫星。 人造卫星是发射数量最多，用途最广，发展最快的航天器。1957年10月4日苏联发射了世界上第一颗人造卫星。之后，美国、法国、日本也相继发射了人造卫星。中国于1970年4月24日发射了东方红1号人造卫星，截止1992年底中国共成功发射33颗不同类型的人造卫星。 人造卫星一般由专用系统和保障系统组成。专用系统是指与卫星所执行的任务直接有关的系统，也称为有效载荷。应用卫星的专用系统按卫星的各种用途包括：通信转发器，遥感器，导航设备等。科学卫星的专用系统则是各种空间物理探测、天文探测等仪器。技术试验卫星的专用系统则是各种新原理、新技术、新方案、新仪器设备和新材料的试验设备。保障系统是指保障卫星和专用系统在空间正常工作的系统，也称为服务系统。主要有结构系统、电源系统、热控制系统、姿态控制和轨道控制系统、无线电测控系统等。对于返回卫星，则还有返回着陆系统。 人造卫星的运动轨道取决于卫星的任务要求，区分为低轨道、中高轨道、地球同步轨道、地球静止轨道、太阳同步轨道，大椭圆轨道和极轨道。人造卫星绕地球飞行的速度快，低轨道和中高轨道卫星一天可绕地球飞行几圈到十几圈，不受领土、领空和地理条件限制，视野广阔。能迅速与地面进行信息交换、包括地面信息的转发，也可获取地球的大量遥感信息，一张地球资源卫星图片所遥感的面积可达几万平方千米。
计算卫星位置的程序
计算卫星位置 一、C语言程序 #include
C语言计算GPS卫星位置
C 语言计算G P S 卫星位置 1 概述 在用GPS 信号进行导航定位以及制订观测计划时，都必须已知GPS 卫星在空间的瞬间位置。卫星位置的计算是根据卫星电文所提供的轨道参数按一定的公式计算的。本节专门讲解观测瞬间GPS 卫星在地固坐标系中坐标的计算方法。 2 卫星位置的计算 1. 计算卫星运行的平均角速度n 根据开普勒第三定律，卫星运行的平均角速度n0可以用下式计算： 式中μ为WGS-84坐标系中的地球引力常数，且μ=3.986005×1014m 3/s 2。平均角速度n 0加上卫星电文给出的摄动改正数Δn ，便得到卫星运行的平均角速度n n=n 0+Δn (4-12) 2. 计算归化时间t k 首先对观测时刻t ′作卫星钟差改正 t=t ′-Δt 然后对观测时刻t 归化到GPS 时系 t k =t-t oc (4-13) 式中t k 称作相对于参考时刻t oe 的归化时间（读者注意：toc ≠toe ）。 3. 观测时刻卫星平近点角M k 的计算 M k =M 0+n tk (4-14) 式中M 0是卫星电文给出的参考时刻toe 的平近点角。 4. 计算偏近点角E k E k =M k +esinE k (E k ,M k 以弧度计) （4-15） 上述方程可用迭代法进行解算，即先令E k =M k ,代入上式，求出E k 再代入上式计 算，因为GPS 卫星轨道的偏心率e 很小，因此收敛快，只需迭代计算两次便可求得偏近点角E k 。 5. 真近点角V k 的计算 由于:
因此: 6．升交距角Φk 的计算 ω为卫星电文给出的近地点角距。 7. 摄动改正项δu,δr,δi 的计算 δu,δr,δi 分别为升交距角u 的摄动量，卫星矢径r 的摄动量和轨道 倾角i 的摄动量。 8. 计算经过摄动改正的升交距角u k 、卫星矢径r k 和轨道倾角i k 9. 计算卫星在轨道平面坐标系的坐标 卫星在轨道平面直角坐标系（X 轴指向升交点）中的坐标为 10. 观测时刻升交点经度Ωk 的计算 升交点经度Ωk 等于观测时刻升交点赤经Ω（春分点和升交点之间的角距）与 格林泥治视恒星时GAST （春分点和格林尼治起始子午线之间的角距）之差， Ωk =Ω-GAST （4-23） 又因为: tk oe Ω+Ω=Ω (4-24) 其中Ωoe 为参与时刻t oe 的升交点的赤经； Ω 是升交点赤经的变化率，卫星电文每小时更新一次Ω和t oe 。 此外，卫星电文中提供了一周的开始时刻t w 的格林尼治视恒星时GAST w 。由于 地球自转作用，GAST 不断增加，所以: GAST=GAST w +ωe t （4-25） 式中ωe ×10-5rad/s 为地球自转的速率；t 为观测时刻。 由式（4-24）和（4-25），得: 由（4-13）式，得: 其中0oe w GAST Ω=Ω-，o Ω、Ω、oe t 的值可从卫星电文中获取。 11. 计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标
卫星轨道基本概念
卫星轨道 本节中将简单说明人造卫星轨道的特性。为方便起见，假设卫星轨道是圆形的，这样也可得到许多有用的信息。 以地心为中心可画出一个半径无穷大的圆球，这个球面称为天球（celestial sphere）。天空中的太阳、月亮以及星星和地心的联机会和天球相交于一点，因此天体的运动可用它们在天球上的轨迹来表示（图1）。地球赤道面和天球的交线称为天球赤道。地球实际上是绕日运行的，但以固定在地球上的坐标系来看，太阳会绕地球运行，这就是太阳的视运动（apparent motion）。太阳在天球上的轨迹称为黄道，黄道面和赤道面的交线称为二分线，二分线和天球的交点称为二分点，即 图1 天球及太阳的视运动。
图2 地心赤道面坐标系。 春分点和秋分点。黄道面和赤道面的夹角约为23o27′。黄道面上有 两点距赤道面最远，位于北半球的称为夏至点，位于南半球的称为冬至点。当太阳在夏至点时，它直射北回归线；当太阳在冬至点时，它直射南回归线。 地心赤道面坐标系 以地心为原点可以建立一个坐标系，X 和Y 轴在赤道面上，X 轴指向春分点，Z 轴为地球自转轴，指向北极。这个坐标系不随地球自转而转动，称为地心赤道面坐标系，如图2 所示。由于岁差（precession）的缘故，春分点会往西移动，故地心赤道面坐标也不是惯性坐标系。不过由于卫星绕地运动的周期远小于岁差的周期，因此讨论卫星轨道时，可将地心赤道面坐标系当做惯性坐标，在实用上可令X 轴指向某一年（如1950 年）的春分方向。 近地点坐标系 描述卫星在轨道面上运动最方便的坐标系是近地点坐标系xω ,
yω ,zω ，如图3 所示。这个坐标系原点在地心（即焦点）上，xω和yω 轴在轨道面上，xω轴指向近地点，将xω轴沿卫星运动方向转动90°就得到 图3 卫星的椭圆轨道，υ为真近点角。 yω 轴，zω轴则和xω , yω轴形成右手坐标系。因为卫星在轨道面上运动，故其zω坐标等于零。 经典轨道要素 要完全描述卫星在轨道上的运动，除了初始时间外，需要6 个参数，这些称为经典轨道要素（classical orbital elements）。这些是椭圆轨道的半长轴a , 偏心率（eccentricity）e,真近点角（true anomaly）υ ,升交点赤经（right ascension of ascending node）Ω,轨道倾角（orbitalinclination）i以及近地点辐角（argument of perigee）ω。最后三个角度称为经典定向角。半长轴a和偏心率e可以完全决定椭圆形的大小；真近点角υ可决定卫星在椭圆轨道上的位置，一般说来通常都用平近点角（mean anomaly）代替真近点角。至于经典定位角Ω , i ,
天体运动与人造卫星知识点
天体运动与人造卫星知 识点 文件编码（GHTU-UITID-GGBKT-POIU-WUUI-8968）
天体运动与人造卫星 要点一宇宙速度的理解与计算 1．第一宇宙速度的推导 方法一：由G＝m得 v1＝＝m/s ＝7.9×103m/s。 方法二：由mg＝m得 v1＝＝m/s＝7.9×103m/s。 第一宇宙速度是发射人造卫星的最小速度，也是人造卫星的最大环绕速度，此时它的运行周期最短，T min＝2π＝5075s≈85min。 2．宇宙速度与运动轨迹的关系 (1)v发＝7.9km/s时，卫星绕地球做匀速圆周运动。 (2)7.9km/s＜v发＜11.2km/s，卫星绕地球运动的轨迹为椭圆。 (3)11.2km/s≤v发＜16.7km/s，卫星绕太阳做椭圆运动。 (4)v发≥16.7km/s，卫星将挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的空间。 要点二卫星运行参量的分析与比较 1．四个分析 “四个分析”是指分析人造卫星的加速度、线速度、角速度和周期与轨道半径的关系。 ＝ 2．四个比较 (1)同步卫星的周期、轨道平面、高度、线速度、角速度绕行方向均是固定不变的，常用于无线电通信，故又称通信卫星。 (2)极地卫星运行时每圈都经过南北两极，由于地球自转，极地卫星可以实现全球覆盖。 (3)近地卫星是在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运动的卫星，其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径，其运行线速度约为7.9km/s。 (4)赤道上的物体随地球自转而做匀速圆周运动，由万有引力和地面支持力的合力充
当向心力(或者说由万有引力的分力充当向心力)，它的运动规律不同于卫星，但它的周期、角速度与同步卫星相等。 要点三卫星变轨问题分析 1．变轨原理及过程 人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道，如图4-5-2所示。 图4-5-2 (1)为了节省能量，在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道Ⅰ上。 (2)在A点点火加速，由于速度变大，万有引力不足以提供向心力，卫星做离心运动进入椭圆轨道Ⅱ。 (3)在B点(远地点)再次点火加速进入圆形轨道Ⅲ。 2．三个运行物理量的大小比较 (1)速度：设卫星在圆轨道Ⅰ和Ⅲ上运行时的速率分别为v1、v3，在轨道Ⅱ上过A点和B点速率分别为v A、v B。在A点加速，则v A＞v1，在B点加速，则v3＞v B，又因v1＞v3，故有v A＞v1＞v3＞v B。 (2)加速度：因为在A点，卫星只受到万有引力作用，故不论从轨道Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过A点，卫星的加速度都相同，同理，经过B点加速度也相同。 (3)周期：设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上运行周期分别为T1、T2、T3，轨道半径分别为r1、r2(半长轴)、r3，由开普勒第三定律＝k可知T1＜T2＜T3。 [方法规律] 卫星变轨的实质(1)当卫星的速度突然增加时，G＜m，即万有引力不足以提供向心力，卫星将做离心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变大，当卫星进入新的轨道稳定运行时由v＝可知其运行速度比原轨道时减小。 (2)当卫星的速度突然减小时，G＞m，即万有引力大于所需要的向心力，卫星将做近心运动，脱离原来的圆轨道，轨道半径变小，当卫星进入新的轨道稳定运行时由v＝可知其运行速度比原轨道时增大。卫星的发射和回收就是利用这一原理。 要点四宇宙多星模型 1．宇宙双星模型 (1)两颗行星做匀速圆周运动所需的向心力是由它们之间的万有引力提供的，故两行星做匀速圆周运动的向心力大小相等。 (2)两颗行星均绕它们连线上的一点做匀速圆周运动，因此它们的运行周期和角速度
卫星轨道计算 [文档在线提供]
一．GPS观测量 接收机在观测相位和伪距数据的同时，还将广播星历和预报星历记录下来。接收GPS信号还能获取纳秒级精度的时间基准信号。 由于接收机的型号很多，厂商设计的数据格式各不相同，国际上为了能统一使用不同接收机的数据，设计了一种与接收机无关的RINEX(The Receiver Independent Exchange Format)格式，目前已使用2号版本。下面分别介绍RINEX 2格式的广播星历文件、观测数据文件、和地面气象数据文件。 RINEX 2格式的GPS数据文件的命名规则为： . s s s s d d d f y y t 其中：ssss～以4个字节表示的台站名； ddd～文件中第一组数据观测时间的年积日(例如：1月1日为001，2月2日为032)； f～该站该日收到的某类文件的顺序号，0表示只有一个； yy～以两位数表示的年(例如：96表示1996年)； t～文件种类： O～观测数据文件； N～广播星历文件； M～地面气象数据文件。 为了便于交流，RINEX 2格式的GPS数据文件均以①无带标；②ASCII码；③每个记录长度为80个字符，块大小为8000；录制在磁带上，磁带上的第一个文件是全部文件的目录。但目前国际上的IGS等组织是通过通讯方式(Internet网)，来快速地提取全球GPS长年观测站数据的，并将数据存在大型计算机中，使用着可通过Internet网任意提取。 应注意，在RINEX 2格式的GPS数据中，时间均以GPST计，即与UTC要差一个整数跳秒数。 ⒈广播星历文件 接收机锁定卫星并解出C/A码后，就能取得广播星历，即卫星坐标计算参数，在实时GPS应用中，它是必不可少的，大部分的工程网观测数据的后处理也采用广播星历。RINEX 2格式的广播星历文件如下表2.1.1所示，作为例子，表中给出了PRN9和PRN17两颗卫星的广播星历数据，PRN表示GPS卫星的伪随机编号号码，GPS卫星在有些场合采用美国航空与航天局NASA(National Aeronautics and Space Administration)的编号。 表2.1.1 RINEX 2格式的广播星历文件
GPS卫星的基本运行规律与GPS卫星位置计算
第3章 卫星的基本运行规律与GPS 卫星位置计算 GPS 卫星定位必须已知其在空间的瞬时位置，而针对GPS 卫星在协议地球坐标系中瞬时位置的研究，就是GPS 卫星的轨道运动理论。本章主要内容包括卫星无摄运动、受摄运动以及卫星瞬时位置与瞬时速度的计算等内容。 3.1 卫星的无摄运动 忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力的情况下来研究卫星相对于地球的运动，在天体力学中，称之为二体问题。二体问题下的卫星运动虽然是一种近似描述，但能得到卫星运动的严密分析解，从而可以在此基础上再加上摄动力来推求卫星受摄运动的轨道。在摄动力的作用下，卫星的运动将偏离二体问题的运动轨道，常将此称为考虑了摄动力作用的受摄运动。 一、二体意义下卫星的运动方程 将地球和卫星均假设为质量集中的质点，研究二者在万有引力作用下的相对运动问题，在天体力学中称为二体问题。根据万有引力定律，地球受卫星的引力F e 可表示为 r r r m M G F e ? ??= 2 （3-1） 卫星受地球的引力F s 与F e 数值相等方向相反，根据牛顿第二定律卫星和地球在万有引力作 用下产生的加速度a s 和a e 分别为 ?? ?? ? ??=? ?-=r r r m G a r r r M G a e s 2 2 （3-2） 则卫星相对于地球的加速度A 应为 r r r m M G a a A e s ?+?-=-=2 )( （3-3） 因为m<