卫星气象学课件2-Liyan.ppt

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1、第二章气象卫星基本知识气象卫星的运动规律1轨道参数和卫星轨道2气象卫星的发射3气象卫星系统4开普勒第一定律卫星运动的轨道是一个圆锥截线,该截线的一个焦点与地球的质心相重合。§2.1气象卫星的运动规律一、卫星的运动方程开普勒第二定律卫星的地心向径,即地球质心与卫星质心间的距离向量,在相同的时间内所扫过的面积相等。开普勒第三定律卫星运行周期的平方,与轨道椭圆长半径的立方成正比且为一常量,而该常量等于地球引力常数GM的倒数。(1)对于第一定律,卫星运动轨道是一圆锥截线,其表示式为:式中e=c/a是偏心率,a是半长轴,c是半焦距,P=r(1+ecosθ)是半通径

2、,θ是矢径r与半长轴a的夹角(真近点角)。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-)。③当e=1时,运动轨道是以地心为焦点的抛物线。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。(2.7)(2)根据第二定律,有式中dA是半径在dt时间内扫过的面积,h

3、是一常数。卫星在椭圆轨道上的总能量为: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。可得卫星在轨道的速度为:(2.11)称为卫星活力公式,可计算出卫星在轨道上任一点的速度。由此得到卫星在近地点的速度为:(2.12)(2.13)(2.14)(3)、根据第三定律可确定卫星的周期:可见卫星的周期仅决定于轨道的长半轴。(2.15)第一定律轨道形状第二定律卫星速度第三定律周期与长半轴关系开普勒三定律二、卫星的入轨速度与轨道的形状卫星轨道形状可以是圆形、椭圆形、抛物线或双曲线。卫星轨道的形状只取决于火箭将它送入轨道时一瞬间的

4、速度-入轨速度。卫星环绕地球运行时,作用于它的有地心引力和离心力,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:离心力=地心引力Vc是卫星入轨速度,也称做环绕速度。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

5、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。(2.16)(2.17)圆轨运动:速度和入轨方向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,当卫星达到速度时,就演变为行星,轨道也不是椭圆形,而是双曲线。因此卫星作椭圆轨道运动所需的入轨速度应满足Vp=>V椭>VcVp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/秒称为第二宇宙速度、逃逸速度,是地面发射行星所需的最小

6、速度。(2.18)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=16.9千米/秒为第三宇宙速度。第三宇宙速度是选择航天器入轨速度与地球公转速度方向一致时计算出的V3值;如果方向不一致,所需速度就要大于16.7公里/秒了。可以说,航天器的速度是挣脱地球乃至太阳引力的惟一要素,目前只有火箭才能突破该宇宙速度。§2.2轨道参数和卫星轨道1、卫星的轨道参数:描述卫星在空间中的运动规律。截距:卫星运行一个周期地球赤道所转过的距离。卫星绕地球公转的同时,地球不停自转,卫星沿规定转一周约2小时,地球自转需24小时,每小时转过15度,所以卫星一

7、个周期在赤道的截距是30个经度。高度:卫星轨道离地球表面的距离;升交点和降交点:卫星运行一个周期自南向北与地球赤道的交点为升交点,自北向南与地球赤道的交点为降交点。星下点:卫星与地球中心连线在地球表面的交点称星下点。由于卫星的运动和地球的自转,星下点在地球表面形成一条连续的轨迹,星下点常用经、纬度表示其位置。卫星轨道参数倾角:卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角;周期:卫星沿其轨道运行一周所需的时间。偏心率e:轨道的半焦距与长半轴之比。轨道长半径a:轨道在长轴方向由轨道中心到轨道上的距离。近地点角:指卫星在轨道平面内升交点与近地点直接的夹角。此外还有平均近点

8、角,卫星真近点角,偏近点角E和轨道数…其它一些轨道参数2、气象卫星的轨道(1)、

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