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第二章 气象卫星基本知识
03
轨道参数和卫星轨道
05
气象卫星系统
02
气象卫星的轨道
04
气象卫星的发射
§ 气象卫星的轨道
一、卫星运动三定律：
第一，卫星运行的轨道是一圆锥截线（圆锥被一平面所截出的曲线，可以是圆、椭圆、抛物线），地球位于其中的一个焦点上。
第二，卫星的向径（卫星与地心连线）在相等的时间内，在地球周围扫过的面积相等。
第三，卫星轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。
（1）对于第一定律，卫星运动轨道是一圆锥截线，其表示
式为：
r=P/（1+ecosθ）
式中e＝c/a是偏心率，a是半长轴，C是焦距，P＝r （1+ecosθ）是半通径，θ是矢径r与半长轴a的夹角。可见偏心率是决定轨道形状的主要参数。
①当e＝0时，c=0，P=r=a，卫星轨道是以地心为圆心的圆形轨道。
②当 e＜1时，卫星的运动轨道是以地心为一焦点的椭圆形轨道。其C≠0，焦点与椭圆中心不重合，而半通径p=a（1－e2）。
③当 e＝1时，运动轨道是以地心为焦点的抛物线轨道。焦距与半长轴相等。运动物体沿抛物线轨道飞离地球，成为太阳系的人造卫星。
④当e＞1时，运动轨道是以地心为焦点的双曲线，c＞a，运动物体沿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）根据第二定律，有

dA/dt=（1/2）r2(dθ/dt)=(1/2)h=常数
式中dA是半径在dt时间内扫过的面积，h是一常数，由上式得卫星的角速度为
ω=r (dθ/dt) =（1/r）h
可见，卫星的角速度ω大小，与r大小成反比。对于椭圆轨道，由于远地点r最大，因而卫星角速度最小；而近地点r最小，卫星角速度最大。故第二定律表达了卫星在轨道的角速度的大小。
1
由理论力学可以求得卫星在椭圆轨道上的总能量为：
2
W（总能量）=（1/2）mV2 （动能）－µm/r（势能）=－µm/2a
3
式中m为卫星质量，r是卫星的矢径 ，µ=GM为开普勒常数，G是万有引力常数，M是地球质量。
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可得卫星在轨道的速度为： V2=μ（2/r）－（1/a）
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称为卫星活力公式，可计算出卫星在轨道上任一点的速度。
（3）、根据第三定律可确定卫星的周期：

a³/T²=μ/4π² 或 T=2π（a³/ μ）1/2
可见卫星的周期仅决定于轨道的长半轴。
2、按轨道偏心率可以分为圆形轨道和椭圆形卫星轨道。选择圆形轨道有许多优点：
①卫星在圆轨道上匀速运动，便于轨道的计算和预告；
②卫星观测得到的图片比例尺一致，便于资料的处理和使用；
③有利于仪器的工作和卫星姿态控制。
3、按卫星轨道倾角，可将卫星轨道分为前进轨道和后退轨道。倾角在0一90°之间，称前进轨道或顺行轨道。 倾角在90一180°之间，为后退轨道或逆行轨道。倾角等于零，称为赤道轨道。倾角等于90°时，称极地 轨道。倾角不同，观测范围不同。对热带地区观测，选倾角较小的轨道；观测极区，应选倾角接 近90°的轨道。
4、按卫星高度将轨道分成三种类型：  
(1)低高度、短寿命卫星轨道：卫星高度为 150—200公里，寿命只有1—3周，大多为军事服务的侦察卫星所采用。
(2)中高度，长寿命卫星轨道：高度约为350— 1500公里，寿命达一年以上。气象卫星，陆地和海洋卫星都用这种轨道。 
(3)高高度，长寿命地球静止卫星轨道：轨道的高度 约35800千米左右，受地心引力和大气阻力的影响很小，卫星的寿命很长，可以存在好几年，主要为气象卫星和通讯卫星所用。从气象观测要求气象卫星使用近极地太阳同步轨道和地球同步轨道两种轨道。
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
卫星的轨道形状可以是圆形、椭圆形、抛物线或双曲线。卫星轨道的形状还取决于火箭将它送入轨道时一瞬间的速度。
卫星环绕地球运行时，作用于它的有地心引力，有离心力。离心力的大小决定于卫星速度。离心力小于地心引力，物体要落回地面。离心力等于地心引力时，就作平衡的圆周运动，而成为卫星。速度增大到离心力大于地心引力时，平衡的圆周运动被破坏将作椭圆运动。速度再加大，其运动轨道将为抛物线或双曲线。
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
式中Vc是卫星在圆轨道运动的速度，也是卫星入轨速度，该速度称做环绕速度。如果物体在地面附近发射，则以 r＝R（地球半径）＝ 6370公里代入上式，并记这时的Vc为V1，便有
V1＝7．912千米／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
宙速度。
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，而不是圆轨道运动。
2、作椭圆轨道运动需要的条件
如果卫星入轨速度进一步加大，其离心力加大到使卫星脱离地球引力场，即 a → ∞，则由活力公式得

可见，当卫星达到2½Vc速度时，它就演变为行星，轨道也不是椭圆形，而是双曲线了。因此卫星作椭圆轨道运动所需的入轨速度应满足
2½ Vc＞V椭＞Vc
式中的Vp称做抛物线速度。若将卫星在地面附近作环绕速度的Vc=V1代入Vp式，并把此时的Vp记为V2，得
V2=11 .2千米/秒
称V2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，其速度为
V3=
为第三宇宙速度。