1、气象卫星,气象预报对人类的重要性,古代：观云识天气、诸葛亮借东风、道士求雨近代：气象站、探空气球现代：气象卫星,有了气象卫星之后，天气预报的覆盖全球，准确度大幅度提高,卫星云图,彩色版,卫星云图,红外,卫星云图,彩色水汽,卫星云图,海区,目录,世界上第一颗气象卫星TIROS-1中国风云气象卫星气象卫星概念与特点核心技术分析气象卫星对人类社会、生产活动产生的巨大影响。轨道设计与覆盖问题,国际上首颗气象卫星“泰罗斯”1号,1960年4月1日，美国发射了世界上第一颗试验型气象卫星-TIROS-1。它也是美国第一代极轨气象卫星系列。卫星外形：18面柱体。直径1.07m，高度0.56m（含镜头）。重量1
2、28.4kg（含固体燃料，用于卫星起旋，卫星采用自旋稳定方式）。轨道：700km高度近圆轨道。,系统组成,体装9200片太阳能电池片化学蓄电池视频摄相机磁带录像机通信机及天线起旋用固体推进器,载荷工作模式,任务目标：拍摄云层图片主要载荷：2组视频摄像机,重2kg（含镜头）。光轴平行于自旋轴。广角镜头，视场角104，拍摄范围12001200km700km，分辨率2.53km。窄角镜头， 视场角:12拍摄范围120120km700km，分辨率0.30.8km。载荷工作模式：慢速扫描拍照测控区：每隔10s30s拍摄一次；非测控区：进行相片存储（含122m的磁带录像机，可以保存32张照片）2W的调频通
3、信机235Mhz工作频率。,视频摄像机示例,左图给出了视场角与镜头焦距之间的关系。焦距越大，视场角越小，观测精度越高。,照片下传到地面后被存储在35mm的胶卷上。利用手绘云图（ hand-drawn cloud ）分析进行气象预报。由于电路故障，TIROS I 在1960年6月中旬停止工作，在轨工作寿命77天。共发回19389张照片。1960年11月23日，TIROS II 发射。此后至1965年7月美国共发射了10颗这种气象卫星。,第一张传回的照片,气象卫星,气象卫星实质上是一个高悬在太空的自动化高级气象站，是遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。在气象预测过程中非常重要的卫星云图的
4、拍摄有两种形式：一种是借助于地球上物体对太阳光的反射而拍摄的可见光云图，只限于白天工作；另一种是借助地球表面物体和大气层红外辐射，形成红外云图，可以全天候工作。,气象卫星特点,气象卫星特点：轨道（低和高轨两种）短周期重复观测 成像面积大，有利于获得宏观同步信息，减少数据处理容量资料来源连续实时性强成本低。,中国第一颗气象卫星-风云1号,1970年周恩来总理指出要搞我国自己的气象卫星，并亲自布置了相关任务，从此开始了我国第一代极轨气象卫星风云一号（FY-1）的研制和发展工作。FY-1气象卫星是中国研制的第一代太阳同步轨道气象卫星。 共发射了4颗，即FY-1A卫星，FY-1B卫星，FY-1C卫星、
5、FY-1D卫星。FY-1A卫星和FY-1B卫星分别在1988年9月7日和1990年9月3日发射升空。 FY-1C卫星在性能上作的较大改进，被列入世界气象业务应用卫星的序列，FY-1D于2002年5月15日在太原卫星发射中心用长征四号B火箭发射升空。,FY-1A-极轨气象卫星,FY-1A卫星于1988年9月7日用长征四号火箭发射，卫星本体是六面体，星体外侧对称安装六块太阳帆板。 卫星总长度为8.6米，星重750千克，三轴定向稳定，卫星高900公里，倾角99，周期102.86分钟，每天卫星绕地球为14圈。,极轨气象卫星,极轨气象卫星，是指其轨道平面与赤道平面的夹角常为9899之间，绕地球飞行，且轨
6、道通过地球南北两极的卫星，也叫太阳同步轨道气象卫星。首颗FY-1A卫星入轨后获取了大量高质量云图资料。运行不久，发现水汽对红外探测器造成污染。另外由于遭遇强烈的太阳活动，卫星发生单粒子翻转事件，姿态失控，卫星工作了39天。没有达到预定的工作寿命要求。,FY-1B,FY-1B卫星于1990年9月3日用长征四号火箭发射。由于采取防污染设计和防污染技术措施，其地面收到的可见光云图质量比第一颗气象卫星清晰，红外图像质量良好，当时国际先进的同类卫星相当。卫星正常运行165天后，由于星载计算机突发故障造成姿态失控，后经抢救恢复正常工作。但星载计算机受到空间环境的影响，工作不稳定，卫星断续工作，没有达到设计
7、寿命要求。,FY-1B,FY-1B卫星星载5通道可见光、红外扫描辐射计的性能和卫星的主要功能，与美国第三代极轨气象卫星相当，接近业务应用水平；卫星可见光通道图像质量良好，信噪比高于设计要求。姿态控制系统比FY-1A有明显改善，但系统的可靠性有待进一步改进。它提高了中国天气预报的时效性、准确性以及监察灾害性天气的能力。,FY-1C,风云一号C星(FY-1C)，于1999年5月10日发射升空。卫星轨道高870公里，倾角为98.8度，设计寿命为2年。由于采取了一系列有效的技术措施，产品质量、对空间环境影响的适应性和系统可靠性都得到较大提高，稳定工作两年多并超期服役，所有备份单机尚未投入使用。,基本任
8、务-每天两次向世界各地气象台站实时发送10个通道1.1km甚高分辨率的云图；记录存储全球国外地区4个通道4km分辨率数字量云图，延时回放给中国地面站。卫星重950kg，平均功耗256W，外形为1.42m1.42m1.2m六面体，太阳帆板伸展后总长10.556m。FY-1卫星的遥感仪器为两台可见光、红外扫描辐射计，互为备份。主要特性为：扫描率：6条扫描线/秒对地扫描角：55.4o星下点地面分辨率：1.1公里数据量化等级：10比特,FY-1C,FY-1C卫星性能有较大改进，增加了探测通道，提高了探测精度，为更精确的中长期天气预报和气候预测提供必要的基本资料，并可在灾害监测、环境遥感中发挥巨大作用。
9、美洲、欧洲和亚洲等地区多个国家都建立了兼容接收风云1C、1D星的数据接收系统和相应的数据处理与应用系统，风云一号卫星数据成为全球灾害监测和环境变化研究的重要数据之一。风云一号C星在轨运行的稳定性和获取数据的准确性得到广泛认可，世界气象组织于2000年8月正式将风云一号C星列入世界业务极轨气象卫星的行列。这是中国第一颗列入世界气象业务应用系列，为世界各国免费提供气象资料的卫星。,据外电报道,2007年2月11日,中国的一枚反卫星导弹成功击毁已经退役的FY-1C，完成了中国首次反卫试验。,FY-1D,风云一号D卫星从2000年开始正样设计，于2002年5月15日在太原卫星发射中心用长征四号B火箭发
10、射升空。它提高了中国天气预报的时效性、准确性以及监察灾害性天气的能力。风云一号D正常运行10年，超额完成任务，现在已经停止运行,有效载荷,FY卫星主要任务是获取国内外大气、云、陆地、海洋资料，进行有关数据收集，用于天气预报、气候预测、自然灾害和全球环境监测等。卫星携带多光谱、可见光、红外五通道扫描辐射仪，用于获取昼夜可见光、红外云图，冰雪覆盖、植被、海洋水色、海面温度等。,多光谱扫描仪,利用光学机械扫描方式测量景物辐射的遥感仪器。景物辐射来自物体对阳光和天空背景光的反射或物体自身的热辐射等，光谱范围从可见光到红外波段。,大气中不同成分对不同波长的红外光吸收率是不同的，因此利用卫星上的红外敏感器
11、获取的地面红外辐射分布，可以分析出不同成分在大气中的含量。,微波吸收谱与红外辐射谱有类似作用，因此可以利用卫星携带的微波辐射计可以分析大气中水汽、氧、NO等的含量。,地面不同物质对可见光的反射率是不同的，据此可利用可见光光谱仪分析地球表面不同的覆盖层。,典型的可见光、红外扫描辐射计：10个通道，可分析波长从0.4微米到12.5微米。,多通道可见红外扫描辐射计(MVISR),传感器的视场范围为1.2微弧度，星下点分辨率为1.1公里，多功能可见光红外扫描辐射计(MVISR)的扫描速度为每秒6条扫描线，每条线共20480个象素点。,FY-3,风云三号（FY-3）气象卫星是我国的第二代极轨气象卫星，它
12、是在FY-1气象卫星技术基础上的发展和提高，在功能和技术上向前跨进了一大步，具有质的变化，具体要求是解决三维大气探测，大幅度提高全球资料获取能力，进一步提高云区和地表特征遥感能力，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。,技术指标,轨道类型：近极地太阳同步轨道轨道标称高度：836公里轨道倾角：98.75标称轨道回归周期为5.5天，设计范围为4至10天轨道保持偏心率：0.0025交点地方时漂移：2年小于15分钟姿态稳定方式：三轴稳定三轴指向精度：0.3三轴测量精度：0.05三轴姿态稳定度：410-3 /s太阳能帆板自动对日进行定向跟踪。,FY-3B有效载荷及在轨图
13、像-可见光红外扫描辐射计(VIRR),可见光红外扫描辐射计的主要任务是通过对地扫描方式获取地球的可见光、红外二维景像信息，包括：（1）可见光和红外云图（2）地表温度和洋面温度（3）水路边界、泥沙、冰雪、植被、土壤水份、作物状态等（4）云状态、包括云量、云顶温度、云的相态和类型等（5）低层水汽含量、海洋水色等（6）森林火灾、洪水、干旱和大范围病虫害等自然灾害的监测,中分辨率光谱成像仪(MERSI),中分辨率光谱成像仪的主要任务是对地球的海洋、陆地、大气进行全球动态监测，并进一步加强对云特性、气溶胶、陆地表面特性、海表特性、低层水汽的监测，提高我国在天气预报、气候变化研究和地球环境监测的能力。,微
14、波成像仪(MWRI),微波成像仪的主要任务是通过接收来自地球表面和大气的水平及垂直两个极化的电磁辐射信息，反演出全球降水、云和大气中水汽含量、地表植被、土壤湿度、海温、海冰、雪覆盖及海面油污等分布情况。为提高天气预报的准确性，特别是预报台风、暴雨（特别是中国夏季暴雨）等自然灾害，减少损失，保证航空、航海安全，为大、中尺度灾害性天气预报、暴雨诊断、环境监测等提供全球性信息资源。,紫外臭氧垂直探测仪(SBUS),紫外臭氧垂直探测仪的主要任务是通过测量太阳紫外光谱辐照度及太阳后向散射紫外光谱辐亮度数据，经数学反演，得到星下点臭氧总量垂直分布，为环境监测、气候预报和全球气候变化研究提供重要参数。,紫外
15、臭氧总量探测仪(TOU),紫外臭氧总量探测仪的主要任务是通过测量地球大气对太阳紫外辐射的后向散射，反演地球大气臭氧总量全球分布，为环境监测、气候预报和全球气候变化研究提供重要参数。,微波湿度计(MWHS),微波湿度计的主要任务是探测大气湿度垂直分布、水汽含量、云中液态水含量、降水等，为数值提取天气预报提供重要参数，在大气探测中具有重要作用。,空间环境监测仪（SEM）,空间环境监测器由5种空间环境及效应探测一起组成，包括高能离子探测器、高能电子探测器、辐射剂量仪、表面电位探测器、单粒子事件探测器，实测这些粒子引起的辐射剂量效应、表面电位效应等空间环境，为航天器安全保障服务，并提供空间天气监测信息
16、。,地球辐射探测仪(ERM),地球辐射探测仪的主要任务是通过接收地面辐射信号，包括短波信号和全波信号，探测地气系统的长波辐射以及地气系统反射的太阳辐射，为气候变化研究提供准确的地球辐射资料。,太阳辐照度监测仪(SIM),太阳辐射监测仪的主要任务是通过三台绝对辐射计，在卫星从地球阴影飞出的北极附近，太阳在其视场上扫过的时间内进行太阳辐照度测量，监测太阳辐射的变化，为气候变化研究提供准确的太阳辐射资料。,红外分光计(IRAS),红外分光计的主要任务是探测大气温度和湿度廓线、臭氧总含量、云参数、气溶胶等，为数值天气预报、气候变化研究和环境监测提供重要参数。对地球和大气进行长波、中波与短波红外辐射以及
17、可见光辐射的探测，特别是利用大气吸收比稳定的14m附近和4.5m附近的CO2/N2O吸收带，进行高精度红外辐射探测。根据不同通道接收的红外辐射随高度或压力的变化关系、反演出大气温度与湿度的垂直分布。,微波温度计(MWTS),微波温度计的主要任务是全天候探测大气温度垂直分布，为数值天气预报提供重要参数。它是一种被动式微波遥感设备，通过接收被观测场景辐射的微波能量来探测目标特性，可以全天时、全天候观测大气垂直温度分布等其它全球性空间气象资料，从而实现中、长期数值天气预报，提高天气预报的准确性。,气象卫星的应用1-天气预报,气象卫星高频次观测资料，是动态监测各类突发灾害性天气发展的有力工具，是天气分
18、析特别是短时和临近天气预报的重要依据。台风/热带气旋监测-为减灾防灾决策提供可靠依据大雾监测-公众服务和决策管理、人工消雾作业沙尘暴监测-沙尘暴源地的分析和研究,应用2-环境和自然灾害监测,洪涝监测-国家级气象卫星多光谱洪涝综合监测系统，防汛的重要决策依据。干旱监测-遥感分析旱情，抗旱工作。积雪监测-融雪量以及融雪的径流量，植物种植决策森林与草原火情监测-林火扑救冰雹、大风、龙卷和寒潮天气的预警预报；应用在全球云量分布、大气臭氧层、火山爆发、城市热岛、地表水体分布和沙漠及荒漠化的监测等多方面。,应用3-全球资料应用,为境外的军事活动提供气象卫星信息和服务。-在国防事业方面发挥了重要作用。全球主
19、要农作物长势监测和估产-全球植被指数产品，为中国气象局开展全球农作物长势动态监测和世界主要粮食作物估产提供了关键支持。全球环境和灾害性天气监测。全球科学活动的气象保障。全球气候变化研究。,气象卫星的影响-学科建设,气象卫星的出现促进了新的学科-卫星气象学的形成。卫星气象学研究的内容主要有：寻找从卫星上探测和获取大气中主要气象要素如云、风、温度、湿度、辐射、臭氧等和大气现象的理论和方法；被测物体（如地表、云和大气主要吸收气体）的辐射特性及电磁辐射在大气中的传输规律；卫星资料接收、处理、存贮和各种气象要素处理方法的研究；选择测量各种气象要素和物体特性的最佳光谱段，满足气象观测要求的遥感仪的最佳设计
20、；气象卫星资料在业务天气预报、数值预报模式和大气科学研究中应用方法的研究；气象卫星资料精度的研究。,气象卫星轨道,气象卫星主要有极轨气象卫星和同步气象卫星两大类。极轨气象卫星。飞行高度约为6001500千米，卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的交角，这样的卫星每天在固定时间内经过同一地区2次，因而每隔12小时就可获得一份全球的气象资料。同步气象卫星。运行高度约35800千米，其轨道平面与地球的赤道平面相重合。从地球上看，卫星静止在赤道某个经度的上空。一颗同步卫星的观测范围为100个经度跨距，从南纬50到北纬50，100个纬度跨距，因而5颗这样的卫星就可形成覆盖全球中、低纬度地区的观测网。,轨
21、道覆盖问题,人造地球卫星轨道，包括发射轨道、运行轨道和返回轨道（返回式卫星或航天器）轨道设计是根据卫星飞行任务，确定轨道根数、选择发射窗口，包括发射轨道设计、运行轨道设计与返回轨道设计。轨道设计中涉及到几个共性的问题，即星下点轨迹、地面覆盖、星下点光照、卫星受晒等。以下重点介绍地面覆盖问题。,两种定义：地心与卫星连线与地面的交点。卫星在地面的垂直投影点。随着卫星运动，星下点在地面上的位置也在不断变化，其在地面形成的轨迹称为星下点轨迹。,星下点轨迹定义,不考虑地球旋转时的星下点轨迹,假设地球不旋转，由于轨道平面一定穿过地球中心，因此其星下点轨迹一定是一个大圆。星下点轨迹只与轨道根数中的轨道倾角和
22、升交点赤经有关。即只与轨道面在惯性空间的方向有关，同一轨道面内的任何轨道，其星下点均为同一个大圆。卫星轨道倾角决定了星下点轨迹能够到达的最高纬度。,不考虑地球旋转时的星下点轨迹,经度,纬度,卫星轨道倾角决定了星下点轨迹能够到达的最高纬度,一般用地心经度和纬度来描述星下点星下点轨迹与6个轨道根数和t都有关系。星下点轨迹的形状只与a,e,有关。和t只影响星下点轨迹相对于旋转地球的相对位置。,考虑地球旋转时的星下点轨迹,圆轨道星下点轨迹的形状仅和a、i有关。,圆轨道的星下点轨迹,轨道倾角决定星下点能够达到的最高纬度,星下点轨迹的形状只与a,e,有关。,椭圆轨道的星下点轨迹,覆盖区：卫星在某时刻可能观
23、测的地面区域总和，其面积用A表示；覆盖区以外的地面区域称为覆盖盲区。覆盖角：中心角：覆盖带宽： , P=d,地面覆盖定义,地面覆盖种类,全球覆盖,区域覆盖,带状覆盖,对于地球静止卫星（如通信卫星），其d=81.37，=8.63， =18116.134km，A占全球的42.54%。在赤道上等间隔放置三个静止卫星，除了两级附近的盲区外均可实现全球通信。,样,最小观测仰角约束下的地面覆盖,轨道高度越高，卫星对地面的覆盖角越大。,轨道高度对覆盖角的影响,elev：最小观察仰角,外沿轨迹方程对圆轨道而言，各时刻的覆盖角d为常数，则在星下点轨迹两侧角度为d的范围内形成一地面覆盖带。覆盖带外沿轨迹：随卫星的
24、运动，R ， 和 ， 形成的轨迹。覆盖带以外的地球为覆盖盲区，覆盖角越大，盲区越小。,不考虑地球旋转时的覆盖带,i=60，d=15，=0,示例,覆盖带外沿轨迹性质外沿轨迹对称覆盖带的纬度范围受限于倾角和最小仰角覆盖带宽度，最小覆盖带宽度,在考虑地球旋转后，星下点轨迹每圈西移 ，则覆盖区也一起西移 = T+全球覆盖,考虑地球旋转时的覆盖带,J2项摄动引起的升交点变化,1个LEO卫星的覆盖带,1个GEO卫星的覆盖带,不同的最小观察仰角对应不同的覆盖范围,1个IGSO卫星的覆盖带,24小时地球同步轨道,即所谓的大“8”字形轨道,中心位于赤道某设定的经度上,高度与地球静止轨道卫星相同,卫星星下点24小时轨迹在本服务区内南北来回运动, 也是一种利用效率较高的区域星座, 介于GEO和MEO之间。,
