遥感卫星及其运行特点

第四章遥感卫星及其运行特点聊城大学环境与规划学院CrowdedOrbit第一节遥感卫星的轨道第一节遥感卫星的轨道CrowdedOrbit本章学习指南【主要内容】本章介绍了遥感卫星的轨道类型和特点,分析了遥感成像对卫星轨道的特殊要求。在此基础上,分陆地卫星、气象卫星和海洋卫星三个系列,重点介绍了10多种在全球对地观测中发挥重要作用的遥感卫星。【学习重点】重点掌握Landsat、SPOT等主要陆地卫星的成像特点和图像特征。第一节遥感卫星的轨道•什么是卫星？•什么是卫星轨道？•卫星的轨道参数有哪些？•卫星的姿态和轨道类型有哪些？第一节遥感卫星的轨道•遥感平台是搭载传感器的工具。依据运载工具的类型，可分为航天平台、航空平台和地面平台。第一节遥感卫星的轨道•遥感卫星的特征对于指导遥感应用过程中的数据处理、信息提取等工作，具有重要意义。–卫星的轨道参数–卫星在轨道上的姿态–卫星轨道的类型第一节遥感卫星的轨道•一、卫星的轨道参数•航天器是在大气层外宇宙空间运行的飞行器，常见的就是人造地球卫星，运行遵循天体力学运动规律，这是航天器区别于其他飞行器或运动装置的特有的运动方式。以牛顿力学为基础，航天器受力而动，我们把航天器质心运动的轨迹称为卫星轨道。–轨道面–行下点–星下点轨迹第一节遥感卫星的轨道•一、卫星的轨道参数•开普勒三大定律：–卫星运行的轨道是一椭圆,地球位于该椭圆的一个焦点上;–卫星在椭圆轨道上运行时,卫星与地球的连线在相等的时间内扫过的面积相等;–卫星绕地球运转周期的平方与其轨道平均半径的立方成正比。第一节遥感卫星的轨道•一、卫星的轨道参数•经典轨道六要素基于行星绕太阳的椭圆运动，约翰逊·开普勒提出了一种描述轨道的方法，可以直观的想象轨道的尺寸、形状和位置，开普勒抽象出了可以完全确定卫星，在空间运动的六个轨道要素，称为经典轨道要素。1、轨道长半径（a）•又称为为半长轴a，是轨道长轴的一半。a确定了卫星距离地面的高度。2、卫星轨道偏心率（e）•偏心率e用于描述某一轨道与圆轨道的区别。–椭圆：0e1;–抛物线:e=1；–双曲线:e1；–圆:e=0。3、轨道面倾角（i）•轨道面和地球赤道面的夹角。–赤道轨道:i=0或i=180;–极轨：i=90；–顺行轨道:0i90;–逆行轨道:0i1804、升交点赤经（Ω）•升交点是指卫星由南向北穿过赤道面的交点；相应的有降交点，是卫星由北向南穿越赤道面的交点；升交点赤经是在赤道面内，度量的从春分点到升交点的夹角，春分点方向是指春天的第一天，地球与太阳之间的连线。5、近地点角距（ω）•又称近地点幅角ω，是在卫星运动方向，度量从升交点到近地点之间的角。*6、真近点角（θ）•最后是真近点角θ，是从近地点到卫星位置矢量的角，真近点角在轨道平面内度量，并且总是沿卫星运动方向，在六个经典轨道要素中，只有真近点角随着时间变化。6、卫星近地点时刻（t）和运行周期（T）•卫星过近地点的时间称为过近地点时刻。当卫星轨道形状和空间位置确定以后,在某一时间τ,卫星所在位置与过近地点时刻t满足开普勒方程,即•E为卫星所在位置的偏近点角;e为轨道偏心率;ω0为卫星运转的平均角速度。第一节遥感卫星的轨道•6个轨道参数的物理意义：–长半径a、偏心率e确定轨道的形状和大小；–倾角i、升交点赤经Ω确定轨道面的方向；–近地点角距ω确定轨道面中长轴的方向；–T确定任一时刻卫星在轨道中的位置。第一节遥感卫星的轨道•卫星位置的测量方法主要有两种:•一是通过测量卫星到测站的距离和距离的变化率确定卫星的位置;•二是利用来自GPS卫星的信号确定卫星的位置。第一节遥感卫星的轨道•二、卫星的姿态•卫星姿态即卫星星体在轨道上运行所处的空间位置状态。•遥感卫星的姿态一般可从三轴倾斜和振动两个方面来描述。第一节遥感卫星的轨道•二、卫星的姿态第一节遥感卫星的轨道•二、卫星的姿态•卫星的姿态对遥感图像的应用有较大影响,为了修正这些影响,必须在获取数据的同时测量、记录卫星的姿态参数。确定卫星姿态的方法通常有两种:–利用姿态测量传感器进行测量（红外姿态测量仪、星相仪、陀螺姿态仪等）;–利用星相机测定姿态角。第一节遥感卫星的轨道•三、遥感卫星的轨道类型•遥感卫星通常是指从宇宙空间观测地球的人造卫星,也称地球观测卫星。•遥感卫星的道有地球同步轨道(geosynchronousorbit)和太阳同步轨道(sunsynchronousorbit)两种主要类型。第一节遥感卫星的轨道•地球同步轨道(geosynchronousorbit)•地球同步轨道也称24h轨道,即卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期,且方向也与之一致。•按照轨道倾角的不同,•地球同步轨道分为–极地轨道–倾斜轨道–静止轨道•地球同步静止卫星第一节遥感卫星的轨道•太阳同步轨道(sunsynchronousorbit)第一节遥感卫星的轨道•太阳同步轨道(sunsynchronousorbit)•太阳同步轨道可分为回归轨道和准回归轨道两种类型,遥感卫星通常采用太阳同步准回归轨道。第一节遥感卫星的轨道•四、遥感成像对卫星轨道的要求•卫星的轨道类型及其相应的轨道参数对遥感探测的范围、成像条件以及遥感图像的比例尺、分辨率等都有重要影响。为了有效地实施对地观测,获取具有全球覆盖的遥感数据,资源遥感卫星通常多采用近极地、近圆形、太阳同步准回归轨道。第二节气象卫星•气象卫星(meteorologicalsatellite)是对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星,是太空中的高级自动化气象站,它能连续、快速、大面积地探测全球大气变化情况。–观测对象–特点第二节气象卫星20世纪60年代第一代美国的泰诺斯(TIROS)、艾萨(ESSA)、雨云(Nimus)和艾托斯(ATS)等1970—1977年第二代美国的ITOS、苏联的Meteor-2、日本的GMS和欧洲空间局的Meteosat等1978年—第三代美国的NOAA系列卫星第二节气象卫星•气象卫星按轨道的不同分为极地轨道气象卫星（NOAA、METOP、Meteor、FY-1、FY-3）和静止轨道气象卫星（SMS/GOES、Meteosat、GMS/MITSAT、GOMS、INSAT、FY-2）。第二节气象卫星•极地轨道气象卫星可获得全球资料,提供中长期数值天气预报所需的数据资料。•缺点：•不能对同一地区实施连续观测,因此，对诸如风速和变化快而生存时间短的小尺度灾害性天气现象难以准确预测和跟踪。第二节气象卫星•(一)NOAA系列卫星•NOAA(NationalOceanicandAtmosphericAdministration)卫星是美国第三代气象卫星。从1970年1月23日发射第一颗NOAA卫星以来,已经相继研制了19颗NOAA卫星。NOAA卫星共经历了五代,目前使用较多的为第五代NOAA卫星,包括NOAA-15、16、17、18。第二节气象卫星•悲情的NOAA-19第二节气象卫星•NOAA卫星的参数•轨道:近圆形太阳同步轨道•轨道高度:870km和833km•轨道倾角:98.9°和98.7°•周期:101．4min•观测频率：单星两次,双星4次第二节气象卫星•NOAA的探测仪器–改进型高分辨率辐射计AVHRR/3(advancedveryhighresolutionradiometer,model3)–高分辨率红外探测仪HIRS/3(highresolutioninfraredsounder,model3)–改进型微波垂直探测仪AMSU(advancedmicrowavesoundingunit)第二节气象卫星•NOAA的波段划分和主要应用第二节气象卫星•（二）FY-1、FY-3系列卫星•我国的气象卫星发展较晚。FY-1是我国发射的第一颗环境遥感卫星，其主要任务是获取全球的昼夜云图资料及进行空间海洋水色遥感实验。第二节气象卫星卫星发射时间工作情况服役时间FY-1A1988年9月7日失效39天FY-1B1990年9月3日失效165天FY-1C1999年5月10日失效7年多FY-1D2002年5月15日失效10年•（二）FY-1、FY-3系列卫星第二节气象卫星•（二）FY-1、FY-3系列卫星•风云三号气象卫星(FY-3)是在FY-1基础上发展起来的我国第二代极地轨道气象卫星。在功能和技术上发生了质的变化,大幅度提高了全球资料的获取能力,进一步提高了云区和地表特征的监测能力,从而能够获取全球、全天候、三维、定量、多光谱的大气、地表和海表特性参数。第二节气象卫星•静止轨道气象卫星也称高轨地球同步轨道气象卫星,定点于赤道上空约36000km的高度上,可连续、重复不断地对其覆盖的地球表面进行实时观测,每隔1h或0．5h获得一幅各个通道的地球全景圆盘图。第二节气象卫星•优点：–覆盖范围大–时间分辨率高•缺点：–空间分辨率低–边缘几何畸变严重–定位与配准精度不高–对高纬度地区的观测能力较差第二节气象卫星•（一）SMS/GOES系列卫星•第一代——SMS-1、2/GOES-1、2、3•第二代——GOES-4、5、6、G、7•第三代——GOES-8、9、10、11、12•第四代——GOES-13、14、15第二节气象卫星•（二）FY-2系列卫星•FY-2是我国自行研制的第一代静止业务气象卫星,与极地轨道气象卫星相辅相成,构•成了我国气象卫星应用体系。第二节气象卫星•FY系列的分代及轨道类型第二节气象卫星•目前，我们风云气象卫星的国际影响力不断提高，已成为国际上同时拥有极轨和静止两个系列业务气象卫星的三个国家或区域组织之一，部分达到国际先进水平。第三节陆地卫星•冷战是最强的兴奋剂Weareneithermakingmaximumeffortnorachievingresultsnecessaryifthiscountryistoreachapositionofleadership.“我们既没有尽最大努力，也没有达到让美国保持领先的程度。”———JohnsontoKennedy,EvaluationofSpaceProgram,April21,1961.不平凡的1966第三节陆地卫星•ProjectApollo第三节陆地卫星•ProjectApollo戈达德行星登陆科学家大卫威廉姆斯（DaveWilliams）认为:阿波罗计划中，要送宇航员登上月球，首先要有个理想的登陆点，这就需要我们在对月球地面以及进一步内部活动研究的基础上，拍摄高分辨率的图像信息，确定登陆位置。首张在月球轨道拍摄的地球全景照这种感觉就像寻找自己的家园，却是从一个荒凉的地方开始，那么熟悉也那么的陌生。——JayFriedlander注：弗里德兰德是美国宇航局戈达德空间飞行中心工作了20年的资深探测器图像工程师“哦，我的天哪！看看那个画面。”1968年12月24日“阿波罗8号”的宇航员拍摄的《地出》照片，是有史以来从太空拍摄的第一张彩色照片，它显示的是一颗蓝色球体悬挂在灰色月表上空。推荐阅读•《改变世界的100张照片》–出版社:陕西师范大学出版社;第1版(2006年1月1日)–精装:142页–开本:16开–ISBN:7561328850–条形码:9787561328859–商品尺寸:25.8x20.4x1.8cm–商品重量:798g一、Landsat系列卫星•美国NASA的陆地卫星（Landsat）计划•(一)卫星的轨道特征–高度范围：700-920km的中等高度；–轨道类型：近极地、太阳同步准回归轨道，除Landsat-8为圆形轨道外,其余均为近圆形轨道；–轨道倾角：在98.3°-99.1°•(二)卫星的传感器–ReturnBeamVidicon(RBV)–MultispectralScanner(MSS)–ThematicMapper(TM)–EnhancedThematicMapper(ETM)–EnhancedThematicMapperPlus(ETM+)–OperationalLandImager(OLI)–ThermalInfraredSensor(TIRS)Multispect