卫星环绕地球飞行,其所受的天体引力主要是地球引力,受月球和太阳的引力较小,可以看作是在地球引力场中运动。卫星环绕地球的运动可以用6个参数来描述,其中5个参数描述轨道的大小、形状和在空间的方位,另外1个参数描述运行时间的起点。有了这6个基本参数,可以计算出卫星在任何时刻相对于地球的空间位置和速度。

根据开普勒定律,卫星运行的轨道为椭圆形,其大小和形状可以用半长轴a和离心率e表示;卫星轨道平面与地球的方位关系,可以用轨道倾角i(轨道平面与赤道平面的夹角)和升交点赤经Ω(春分点和轨道升交点对地心的张角)表示;卫星在轨道平面内的具体位置,可以用近地点幅角ω(近地点和升交点对地心的张角)和卫星过近地点的时刻tp表示(如图1所示)。每一个时刻卫星在轨道上的位置都会在地球表面上有一个投影,叫做星下点。所有星下点连成的曲线叫星下点轨迹。根据星下点轨迹,可以预报卫星何时从何地上空经过。远地点卫星XZ升交点近地点远地点春分点升交点赤道平面轨道平面轨道倾角升交点赤经半短轴b半长轴a地心E近地点时刻t过近地点的时刻tpiΩ。

图1 遥感卫星运行的轨道参数

遥感卫星的轨道是根据遥感卫星的任务需求设计的,轨道的选择取决于任务对观测对象、观测范围和观测频次的要求。遥感卫星最常用的轨道有2种,即太阳同步轨道和地球同步轨道(如图2所示)

图2 太阳同步轨道与地球同步轨道

太阳同步轨道:卫星轨道平面围绕北天极进动的方向与地球公转的方向大致相同,进动角速率等于地球公转平均角速率(0.9856度/日)。即卫星轨道平面和太阳照射地球光线的夹角始终保持不变,遥感卫星在地球同一纬度星下点成像时,太阳光的入射角,即太阳光照条件基本不随时间变化。这对于遥感数据的实际应用是十分必要的。卫星轨道平面的进动靠的是地球的非理想球体形状产生的非球对称引力场,轨道平面进动角速率与卫星轨道高度和倾角有关。经过理论分析,太阳同步轨道卫星轨道高度不会超过6000千米,轨道倾角大于90度为逆行轨道。太阳同步轨道有一个重要的参数是降交点地方时,即卫星由北往南降轨飞行时其星下点经过赤道的地方时刻。太阳同步轨道遥感卫星的降交点地方时是由遥感任务决定的。对于可见光成像遥感,卫星降交点地方时一般选择在上午10:30左右。为了获得同一地区不同地方时刻的地物信息,可以采用多颗遥感卫星组网的方法,每颗卫星可选择不同的降交点地方时。由于太阳同步轨道的高度距离地球表面较近,可以获得很高的遥感图像空间分辨率,有的光学遥感卫星获得的图像空间分辨率可以达到0.1米。太阳同步轨道遥感卫星可以实现全球范围的对地观测,但对同一地区的重访时间一般较长。我国的“资源”系列卫星、“遥感”系列卫星、“海洋”系列卫星、风云一号气象卫星和风云三号气象卫星,“高分一号”“高分二号”和“高分三号”等卫星绝大多数都采用太阳同步轨道。

地球同步轨道:卫星距离地面的高度约为36000千米,轨道周期和地球自转周期相同(约23小时56分4秒),卫星运行方向和地球自转方向一致。因为轨道周期和地球自转周期相同,在地球自转一圈的时间里,卫星星下点构成了一条封闭曲线——呈南北向的“8”字,交叉点处在赤道上。如果轨道倾角为0度,偏心率为0,地球同步轨道就成了地球静止轨道,卫星星下点轨迹就成了一个点,卫星相对于地球呈静止状态。地球静止轨道遥感卫星可以实现大范围的对地观测,还可以对感兴趣的局部区域进行连续观测。我国风云二号气象卫星、风云四号气象卫星和高分四号遥感卫星采用的就是这种轨道。但因为地球同步轨道卫星距离地面很远,难以获取高空间分辨率的遥感图像,一般为数百或上千米量级。我国的高分四号遥感卫星能够获取50米空间分辨率的遥感图像,达到了国际领先水平。

除了上述两类常用轨道,因特殊使命,某些遥感卫星选择了一些比较特殊的轨道。例如,为了对赤道附近低纬度的热带地区进行降雨测量,可以选择低倾角非太阳同步圆轨道(比如,轨道高度约为400千米,轨道倾角35度)。再比如,我国发射的多颗返回式遥感卫星,为了获取特定地区的遥感信息,采用了中等倾角的非太阳同步轨道。为了实现0.1米甚高分辨率侦察成像,美国的KH-12卫星选择了近地点距离地面约300千米,远地点距离地面约1000千米的椭圆轨道,在近地点实现高分辨率详查,在远地点实现宽幅普查。

为了提高对地观测与遥感服务的时效性,可以用多颗卫星组成卫星星座。卫星星座中的卫星常采用相同轨道高度和相同倾角的圆轨道,但是运行的相位不同。需要根据遥感任务的需求,设计组成星座的卫星轨道。卫星星座有多种不同的形式,分为同一轨道平面内的星座(如图3所示)和不同轨道平面内的星座(如图4所示)。运行在同一轨道平面内的多颗同类卫星,轨道高度基本相同,相差固定的相位。也可以是不同类的卫星运行在同一轨道平面内,轨道高度基本相同,相差固定的相位。另外就是在不同轨道平面内形成星座,轨道高度基本相同,轨道倾角相同,升交点赤经相差固定的角度。

图3 同一轨道平面内的卫星星座

图4 不同轨道平面内的卫星星座

为完成特定的功能,可将多颗卫星编队飞行(如图5所示)。比如双星干涉SAR卫星,双星编队构形具备可调整能力,得到稳定的编队构形,从而对选定区域进行干涉成像。可以利用两颗卫星之间的基线长度实现干涉测量,达到相对高程和绝对测高的全球高精度DEM数据,实现毫米级的形变精度。

图5 双星编队飞行示意图


来源:中国测绘学会

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