每天出现在天气预报中的风云卫星,有哪些飞行轨道?
发布时间:2021-09-13
出品:科普中国
制作:王铮
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  出门前我们习惯先看天气。但你知道面对反复无常天气变化,我们是如何及时预报的吗?这就得说到气象卫星,比如我们熟知的风云系列气象卫星。

  夏末秋初,9月到来,天气逐渐凉爽。恰巧,风云卫星最初发射就是9

  198897风云一号A卫星(FY-1A)发射199093风云一号B卫星(FY-1B)发射。时至今日,风云卫星已经成长为一个系列。

中国的风云卫星家族有哪些成员各自有哪些飞行轨道为什么这样选择

  

  风云卫星云图(图片来源:中央气象台)

风云卫星中的四大家族

  卫星首次实现了我国气象、海洋和空间环境的综合探测应用,开创了我国航天事业的新纪元。风云卫星有诸如“一号”“二号”“三号”这样的名称,每个名称指称的并不是单颗卫星。

  例如,在风云一号A卫星(FY-1A)和风云一号B卫星(FY-1B,“FY”是“风云”的缩写,“1”代表“一号”,AB是它们更进一步的代号。

  风云一号是我国第一代太阳同步轨道气象卫星,主要用于获取全球气象云图和海洋资料同时,它还能获取昼夜可见光、红外云图,冰雪覆盖、植被、海洋水色、海面温度等,为中长期天气预报、气象和海洋科学研究、气候预测提供必要的基本资料,在灾害监测、环境遥感中发挥巨大作用。

  早在1977就形成风云一号气象卫星总体初步方案,之后全面开展研制工作。198510月,风云一号气象卫星工程被列入“七五”期间卫星型号发展的重点项目,很快在1988年风云一号A星就发射成功。

  风云一号卫星系列包总共含4颗卫星A星和B发射10年后1999年和2002又分别发射了C卫星D卫星目前,4颗卫星均已失效并退役值得一提的是,最初发射的A卫星服役时间仅有39天,但D卫星足足做了10“天气预报员”。

  

  风云一号卫星图片来源:国家卫星气象中心)

  风云二号同样也不是一颗卫星,而是2颗试验卫星(FY-2AFY-2B卫星)和系列业务卫星(FY-2CFY-2DFY-2EFY-2FFY-2GFY-2H等)组成

  风云二号卫星系列可以获取白天可见光云图、昼夜红外云图和水气分布图,进行天气图传真广播,收集气象、水文和海洋等数据收集平台的气象监测数据。这一系列地球同步轨道卫星

  

  风云二号卫星图片来源:国家卫星气象中心)

  风云二号频繁的迭代保证了星地系统一年365天、每天24小时连续运行。FY-2D之后,几乎隔2年或4就会发射一枚新的风云二号卫星,直到2018年还有2H卫星发射,几乎横跨了咱们现在年轻人的整个青少年时期,难怪天气预报节目上老有它。

  这些风云二号系列卫星的设计和功能都非常相似。前一颗卫星还在工作,后一颗就上天开始观测了也正是这样的“备份”才能保证这十多年来的无缝对接。

  大家有时还会在天气预报上听到风云三号”风云三号3颗卫星组成(FY-3A卫星、FY-3B卫星、FY-3C卫星),虽然被戏称为“奥运星”,但其实只有第一颗是在接近2008年奥运会的时间发射,后两颗发射于20102013年。

  彼时,它的任务目标是和风云二号气象卫星一起,共同为奥运会提供气象保障服务探测对象包括地球大气环境的三维、全球、全天候、定量、高精度资料。风云三号是继承风云一号的极轨太阳同步轨道卫星

  

  风云三号01批星(图片来源:国家卫星气象中心

  至于最新的风云四号卫星,A星在20161211日发射,后续自然也还会有B星。它们也是地球同步轨道卫星,继承的是风云二号的衣钵。

  2017227日,风云四号A星获取首批图像和数据中国获取并发布了世界第一幅静止轨道地球大气高光谱图,同时也首次获取彩色卫星云图和闪电分布图。

  

  风云四号A星(图片来源:国家卫星气象中心

  这些卫星的轨道非常好记:奇数的一号和三号是“极轨”的“太阳同步轨道”卫星,偶数的二号和四号是“静止”的“地球同步轨道”卫星。

“太阳同步怎么同步?

  风云一号和三号是“极轨”的“太阳同步轨道”卫星所谓“极轨”,也就是轨道经过地球南北极上空,轨道平面与地球赤道面相垂直。

  实际上,通常卫星轨道不会正好经过南极点、北极点,而是略微倾斜所以准确地说近极轨,轨道平面与赤道平面的夹角接近90度。

  咱们想象一个原地自转的地球仪,地球仪侧面的支架就像轨道面一样。在宇宙空间中,没有特别的力的话,这个平面如支架一样不动如山那么随着地球自转,卫星轨道就会遍历整个地球所有区域上空。

  

  地球仪(图片来源:justglobes.uk

但是,卫星轨道面真的不会动吗?

  如果地球是个均匀球体,那倾角90度轨道的卫星正好受力均衡,轨道平面不会转动,叫做随地球“平动”。

  但是,地球是个扁椭球体,扁椭球体上的各点对卫星的引力不等,而且地轴又是倾斜的于是,卫星的轨道平面绕地轴朝着与卫星运动相反方向旋转,称为轨道平面的“进动”。所以,太阳同步轨道才要选择略微大于90°的轨道倾角

  根据计算,进动的速度大约为,正好使轨道平面与太阳始终保持固定的取向。也即是说,卫星的轨道平面也在进行一年360°的旋转,正好总是垂直于太阳与地球的连线,那么在地球周围转圈的卫星就不会被地球挡住,可以充分照射太阳光,也就是“太阳同步”。

  因此,太阳同步轨道所同步的是,其实是地球的公转。

  风云卫星选择这个轨道,对天气预报信息的获取非常有利。首先,可以最大化利用太阳能发电其次,卫星每次飞越某地上空时,太阳都是从同一角度照射该地,通过对比拍摄的照片,可以获得更多的信息。

“地球同步静止,在天上也能静止吗?

  风云二号和四号是“静止”的“地球同步轨道”卫星。那么,它们又是怎么“静止”的呢

  其实,它们并不是在宇宙空间中停留不动,而是咱们地面的人往天上看,这颗卫星总在头顶没有飞走,就好像是静止了。

  地球上看,太阳东升西落,是因为地球一直自西向东自转。所谓“地球同步轨道”,同步的就是地球自转。卫星的轨道周期等于地球在惯性空间中的自转周期(23小时564秒),而且方向与之一致。因此,卫星总是随着地球一同旋转,与地面的位置相对保持不变。

  

  地球同步轨道(图片来源:wikipedia动图

  由于地球同步轨道的轨道面与赤道平面重合,即轨道倾角为0。所以,卫星并不能停留在任意地区(比如北京)的正上方,而是始终位于赤道某地的上空。

  中国的风云卫星虽然不是在中国广袤土地的正上方,但是选择了经度匹配的经度例如曾选择东经105度、99.5度、79度等位置抬头仰望,我们甚至无法捕捉到它们的身影。

  然而,正是这一颗颗肉眼难以见到的卫星,不仅构成了服务于中国天气预报的卫星体系,还在气候监测、灾害监测和环境遥感等方面发挥了重要作用,为社会的发展作出了巨大贡献。

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