人造卫星[下学期] 旧人教版n-课件

人造卫星人造卫星是人类航天技术的重要成果，代表着科学技术的巨大进步本课程将深入探讨人造卫星的基本原理、发展历程和实际应用我们将从物理学角度分析卫星的运动规律，了解万有引力定律在卫星运动中的应用，并探讨中国航天事业的辉煌成就通过学习，同学们将掌握卫星运动的基本理论，理解现代航天技术对人类社会发展的重要意义什么是人造卫星人造天体的定义与自然卫星的区别人造卫星是由人类制造并月球是地球的自然卫星，发射到太空中，围绕地球而人造卫星是通过火箭等或其他天体运行的人工天载具人为发射进入轨道的体技术特征人造卫星具有特定的功能，如通信、观测、导航等，服务于人类的各种需求人造卫星的发展历史1957年1970年苏联成功发射世界第一颗人造卫星史普尼克一号，开启了人类航天时代的序幕这颗卫星重

83.6公斤，在轨道上运行了21天，标志着人类正式进中国成功发射东方红一号卫星，成为世界第五个能够独立发射人造卫星入太空时代的国家，实现了中华民族航天梦想的重要里程碑1231958年美国发射探险者一号卫星，发现了地球周围的范艾伦辐射带欧洲各国也开始积极参与航天竞赛，推动了全球航天技术的快速发展我国人造卫星发展概况东方红一号突破1970年4月24日，中国首颗人造卫星东方红一号成功发射，重173公斤，播放《东方红》乐曲，向全世界宣告中国进入航天时代这一历史性成就打破了超级大国的航天垄断地位技术体系建立经过几十年发展，中国建立了完整的卫星研制、发射、测控体系从返回式卫星到气象卫星，从通信卫星到导航卫星，技术水平不断提升，应用领域持续扩展现代化成就目前中国已成为世界航天强国，拥有北斗导航系统、高分遥感系列、风云气象系列等多个卫星系统，年发射次数居世界前列，为国民经济和社会发展提供重要支撑卫星的主要类型通信卫星气象卫星遥感卫星提供电话、电视、互监测天气变化，预报对地观测，获取地球联网等通信服务，如天气状况，如风云系资源信息，如高分系中星系列卫星列卫星列卫星导航卫星提供精确定位服务，如北斗导航系统人造卫星的基础结构载荷系统服务平台电源通信系统载荷是卫星的核心部分，承担具体任平台为载荷提供支撑和保障服务，包电源系统通常采用太阳能电池板和蓄务功能通信卫星的载荷包括转发括结构、热控、姿态控制等子系统电池组合，为卫星提供持续电力通器、天线等设备，遥感卫星的载荷包平台确保卫星在太空恶劣环境中正常信系统负责与地面站的数据传输，包括各种传感器和相机载荷的性能直工作，维持稳定的工作状态，是卫星括遥测遥控和数据下传功能，是地面接决定了卫星的应用效果和技术水可靠运行的基础保障控制卫星的重要手段平卫星轨道基础中高轨道高度2000-35786公里•导航卫星轨道近地轨道•部分通信卫星高度200-2000公里•周期12小时左右•国际空间站轨道地球同步轨道•对地观测卫星高度35786公里•周期约90-120分钟•通信卫星主要轨道•气象卫星轨道•周期24小时行星运动及引力规律回顾万有引力定律卫星运动特点任何两个物体之间都存在相互人造卫星的运动遵循与天然天吸引的引力，引力大小与两物体相同的物理规律地球对卫体质量的乘积成正比，与距离星的万有引力提供向心力，使的平方成反比数学表达式为卫星保持轨道运动卫星运动F=GMm/r²，其中G为万有引力本质上是在地球引力场中的圆常数周运动或椭圆运动轨道运动规律卫星轨道运动同样遵循开普勒三大定律，特别是第三定律轨道周期的平方与轨道半径的三次方成正比这为计算不同高度卫星的运行参数提供了理论基础牛顿的卫星思考实验现代意义牛顿大炮原理牛顿的思想实验为现代航天技术奠定了理平抛运动分析这个思想实验揭示了卫星运动的本质卫论基础它说明了如何通过给物体足够的牛顿设想在高山上发射炮弹，速度越大，星实际上是在自由下落，但由于地球表水平速度来实现轨道运动，这正是现代火炮弹飞行距离越远当速度足够大时，炮面的弯曲，卫星永远落不到地面这种持箭发射卫星的基本原理弹的抛物线轨迹曲率与地球表面曲率相续的自由落体运动就是轨道运动等，炮弹将永远不会落地人造卫星的运动学分析圆形轨道最简单的卫星轨道类型椭圆轨道更复杂但更常见的轨道形式运动参数关系速度、半径、周期之间存在确定的数学关系卫星的轨道运动可以是圆形或椭圆形圆形轨道中，卫星以恒定速度运行，分析相对简单椭圆轨道中，卫星在近地点速度最大，在远地点速度最小，遵循能量守恒和角动量守恒定律无论哪种轨道，卫星的运动参数都受到万有引力定律的严格约束向心力与万有引力地球引力向心力需求地球对卫星产生万有引力，方向指卫星做圆周运动需要向心力，方向向地心，大小随距离变化指向圆心，大小与速度和半径相关轨道维持力的平衡这种平衡关系决定了卫星的轨道参万有引力恰好提供所需的向心力，数和运动状态使卫星保持稳定轨道运动卫星轨道运动方程基本方程建立对于圆轨道卫星，万有引力提供向心力GMm/r²=mv²/r其中G为万有引力常数，M为地球质量，m为卫星质量，r为轨道半径，v为卫星速度公式简化处理消去卫星质量m，得到v²=GM/r这个关系表明卫星的轨道速度只与地球质量和轨道半径有关，而与卫星自身质量无关这是卫星运动的基本特征参数关系推导由此可进一步推导出周期公式T=2πr/v=2π√r³/GM，以及轨道能量、角动量等重要物理量的表达式，形成完整的卫星轨道动力学理论体系卫星运转速度的推导速度公式v=√GM/r，速度与轨道半径的平方根成反比半径关系轨道半径越大，所需的轨道速度越小数值举例近地轨道约

7.9km/s，地球同步轨道约

3.1km/s卫星轨道速度的推导是卫星理论的核心内容通过万有引力等于向心力的条件，我们得到了速度与轨道半径的反比关系这个关系说明了一个重要现象距离地球越远的卫星，运行速度反而越慢这与日常经验相反，体现了天体力学的独特规律卫星运动周期的推导T²r³周期平方半径立方轨道周期的平方轨道半径的立方GM引力参数地球引力常数卫星运动周期公式T=2π√r³/GM直接体现了开普勒第三定律周期的平方与轨道半径的立方成正比，比例系数由中心天体质量决定这个关系使我们能够通过观测轨道周期来确定轨道高度，或者根据预定轨道高度计算所需的发射参数不同高度轨道周期对比轨道类型轨道高度运行周期典型应用低地球轨道200-90-120分钟空间站、侦2000km察卫星中地球轨道2000-2-24小时导航卫星、35786km通信卫星地球同步轨35786km24小时气象卫星、道通信卫星大椭圆轨道变化范围大12小时以上特殊任务卫星卫星与地面同步条件周期同步卫星轨道周期必须等于地球自转周期24小时，确保卫星与地面保持相对静止状态高度固定同步轨道高度必须是35786公里，这是由地球质量和自转周期唯一确定的特殊高度赤道平面同步卫星必须在赤道平面内运行，轨道倾角为零度，才能实现真正的地面同步运行方向卫星运行方向必须与地球自转方向一致，从西向东运行，速度约

3.07公里每秒近地卫星举例国际空间站风云系列卫星资源系列卫星运行高度约408公里，周期约93分钟中国自主研制的气象卫星系列，包括专门用于地球资源勘探和环境监测的这是人类在太空中最大的合作项目，极轨和静止轨道两类为天气预报、遥感卫星，能够获取高分辨率的地表为科学研究和技术试验提供了独特的气候监测和灾害预警提供重要数据支图像，为国土资源管理提供科学依微重力环境平台持据卫星发射的基本步骤火箭点火升空运载火箭在发射台点火，克服地球引力和大气阻力，垂直上升离开大气层第一级火箭提供主要推力，将载荷送入预定轨道轨道机动调整火箭按预定程序调整飞行姿态和轨迹，逐步加速到轨道速度多级火箭依次工作和分离，精确控制卫星进入目标轨道卫星分离部署到达预定轨道后，卫星与火箭最后一级分离，展开太阳能电池板和天线，开始独立运行地面测控站建立通信联系，验证系统功能卫星进入轨道的难点速度要求大气阻力必须达到第一宇宙速度穿越大气层的能量损耗•最低

7.9公里每秒•空气阻力消耗燃料•精确的速度控制•需要防热保护•方向角度要求严格•影响轨迹精度精度控制能量消耗轨道参数精确要求巨大的能量需求•位置精度要求•化学燃料限制•时间窗口限制•质量比要求高•姿态控制精度•成本控制困难第一宇宙速度

7.9km/s物理定义推导过程第一宇宙速度是物体在地球根据万有引力提供向心力的表面附近做圆周运动所需的条件GMm/R²=mv²/R，消最小速度，约

7.9公里每秒去m得到v=√GM/R代入这是卫星能够环绕地球运行地球质量M和半径R的数值，的最低速度要求，也被称为计算得出v≈

7.9km/s环绕速度实际意义这个速度是理论上的最小环绕速度实际发射中，由于大气阻力和轨道调整需要，发射速度通常要大于第一宇宙速度，才能确保卫星稳定入轨关于第一宇宙速度的实验与推理理论计算基础实验验证方法第一宇宙速度的计算需要精确的地球参数地球半径R约第一宇宙速度的理论值可以通过实际卫星发射验证早期

6.37×10⁶米，通过大地测量确定万有引力常数G=的人造卫星如史普尼克一号、东方红一号等的发射速度都

6.67×10⁻¹¹N·m²/kg²，由卡文迪许扭秤实验测定地球质接近这个理论值现代精密测量技术使我们能够更准确地量M=

5.97×10²⁴公斤，通过万有引力定律计算得出验证这个重要的物理常数第二宇宙速度

11.2km/s逃逸速度定义第二宇宙速度是物体完全脱离地球引力束缚所需的最小初始速度，约

11.2公里每秒，也称为逃逸速度轨道类型转换达到此速度的物体将沿抛物线或双曲线轨道运动，永远不会返回地球，实现真正的星际飞行深空探测应用所有飞向月球、火星等深空目标的探测器都必须达到或超过第二宇宙速度才能离开地球引力场第三宇宙速度

16.7km/s太阳系逃逸脱离太阳引力的最小速度行星际飞行飞向其他恒星系统的基础条件地球发射要求从地球表面直接发射需要的初始速度第三宇宙速度约

16.7公里每秒，是从地球表面发射物体脱离太阳引力、飞出太阳系所需的最小速度历史上旅行者1号和2号探测器通过行星重力助推达到了这个速度，成为首批飞出太阳系的人造物体这个速度的实现标志着人类探索能力已经延伸到了星际空间高轨卫星发射的困难能量需求巨大高轨道卫星需要更多能量克服地球引力，燃料消耗呈指数增长地球同步轨道卫星的发射能量需求比近地轨道卫星高出数倍，对火箭运载能力要求极高技术复杂度高多级火箭技术、精确制导控制、长时间飞行管理等技术难题需要解决上面级发动机必须在太空中多次点火，实现复杂的轨道转移机动成本控制挑战高轨卫星发射成本是近地轨道的数倍，经济效益分析更加复杂必须平衡技术性能、可靠性和经济性，确保项目的可持续发展卫星发射路线及窗口轨道倾角发射窗口地球自转利用精确制导卫星轨道平面与赤满足轨道要求的特向东发射可利用地发射方位角和时间道平面的夹角，决定发射时间段，通球自转速度，节省的精确控制，确保定了卫星的覆盖范常只有几分钟到几燃料提高载荷能力卫星进入预定轨道围和应用特性小时卫星运行中受外力影响大气阻力影响引力场不均匀其他天体影响即使在高空，稀薄大气仍会对低轨卫地球并非完美球体，质量分布不均匀月球和太阳的引力对卫星轨道也有影星产生阻力这种阻力会逐渐降低卫导致引力场存在微小变化这些引力响，特别是对高轨道卫星太阳辐射星轨道高度，缩短卫星寿命国际空异常会导致卫星轨道缓慢漂移，需要压力也会对大面积卫星产生微小但持间站每年需要多次轨道提升来补偿大定期进行轨道修正以保持预定位置续的推力，需要在轨道设计中予以考气阻力造成的高度损失虑卫星姿态控制技术陀螺稳定系统利用角动量守恒原理，通过反作用轮组控制卫星三轴姿态，提供高精度稳定控制推进器控制使用小型气体推进器产生控制力矩，适用于大角度机动和反作用轮卸载操作磁力矩器利用地球磁场产生控制力矩，功耗低但控制精度有限，常用于小卫星姿态控制重力梯度稳定利用地球引力场梯度实现被动姿态稳定，结构简单可靠但适用范围有限人造地球卫星的寿命电源系统通信设备5-15年典型寿命器件老化影响•太阳能电池板衰减•电子元件失效•蓄电池性能下降•信号质量下降•功率输出减少•数据传输能力减弱燃料耗尽轨道衰减控制能力丧失自然轨道降低•姿态控制失效•大气阻力作用•轨道维持困难•轨道高度下降•任务能力终止•最终坠入大气层卫星的回收与销毁主动离轨卫星任务结束前，利用剩余燃料主动降低轨道，使其在大气层中完全烧毁这是目前最环保的卫星处置方式墓地轨道对于地球同步轨道卫星，将其推送到更高的墓地轨道，避免与工作卫星发生碰撞，为后续卫星腾出宝贵的轨道资源碎片监测建立空间碎片监测网络，追踪失效卫星和碎片轨迹，为在轨卫星提供碰撞预警，保障空间活动安全清理技术发展主动碎片清理技术，如机械臂捕获、激光推进、电动力绳索等方法，主动清除危险的空间碎片卫星的通信与数据传输射频波段选择地面站网络卫星通信使用VHF、UHF、全球布置的地面测控站网络L、S、C、X、Ku、Ka等多负责卫星的遥测遥控和数据个频段不同频段具有不同接收中国已建立完善的测的传播特性和应用场景，需控网，包括陆基、海基和天要根据任务需求和国际频率基测控系统，确保对卫星的协调要求合理选择全球覆盖数据处理系统卫星下传的原始数据需要经过复杂的处理才能转化为有用信息包括信号解调、纠错解码、数据标定、图像处理等环节，最终形成用户可用的产品卫星遥感技术简介多光谱观测遥感卫星搭载可见光、近红外、热红外等多种传感器，获取地表不同波段的反射和辐射信息不同波段对应不同的地物特征，如植被、水体、岩石等海洋大气监测专业的海洋遥感卫星监测海表温度、海色、海浪、海风等参数大气遥感卫星观测云层分布、大气成分、温湿度廓线，为天气预报和气候研究提供数据资源环境应用中国资源三号等卫星为国土资源调查、城市规划、环境监测、农业估产、灾害评估等提供高分辨率影像这些应用直接服务于国民经济建设和社会发展导航卫星系统GPS系统北斗系统定位原理美国全球定位系统，由24颗主卫星中国自主建设的全球卫星导航系统，导航卫星通过测距定位原理工作接组成，提供全球覆盖GPS采用L1和由35颗卫星组成北斗三号系统于收机同时接收4颗以上卫星信号，计L2频段信号，民用精度约3-5米系2020年全面建成，提供定位、导算到各卫星的距离，通过三维空间几统自1995年全面运行以来，已成为全航、授时和短报文通信服务定位精何关系确定位置卫星播发精确的时球最广泛使用的导航系统，在交通、度达到

2.5米，在亚太地区精度更间和位置信息，接收机通过信号传播测绘、农业等领域发挥重要作用高，是中国重要的空间基础设施时间计算距离卫星气象观测实时天气监测台风监测预警气候变化研究气象卫星提供全球范围的连续天气观卫星能够清晰观测台风的眼壁结构、长期的卫星气象观测数据为全球气候测数据，包括云量分布、降水强度、云系分布和强度变化通过连续监测变化研究提供了宝贵资料科学家通温度分布等信息这些数据是现代天台风路径和强度，为沿海地区提供及过分析几十年的卫星数据，研究全球气预报的重要基础，极大提高了预报时准确的灾害预警，有效减少人员伤变暖、极地冰川变化、海平面上升等准确性和时效性亡和财产损失重大气候问题卫星对人类社会的贡献通信革命催生了全球通信时代，实现了跨洋电话、卫星电视、移动通信导航定位改变了交通运输方式，提供精确位置服务和路径规划地球观测促进了地理科学发展，加强了资源管理和环境保护人造卫星技术的发展深刻改变了人类社会从通信领域的革命性突破到精确导航服务的普及，从全球环境监测到灾害预警系统，卫星技术已经渗透到现代生活的各个方面它不仅推动了科学技术进步，也为解决人类面临的全球性挑战提供了重要工具中国航天近年成就35北斗卫星全球组网卫星总数50+高分系列遥感卫星发射数量18风云卫星气象卫星在轨运行40+年发射次数近年来年均发射频次中国航天事业在新时代取得了举世瞩目的成就北斗全球卫星导航系统的建成标志着中国成为世界第三个拥有自主全球导航系统的国家高分遥感卫星系列为国家建设提供了重要的信息保障风云气象卫星为全球天气预报和气候监测做出了重要贡献这些成就充分展现了中国航天技术的快速发展和创新能力神舟系列与空间站神舟飞船天宫空间站中国载人航天的主力飞船，已成功中国自主建设的空间站，由天和核1发射十多次，运送航天员往返空间心舱、问天实验舱、梦天实验舱组站成货运支持载人任务天舟货运飞船为空间站提供物资补定期轮换航天员乘组，开展空间科给和推进剂加注服务学实验和技术验证探月与深空探测嫦娥探月工程中国探月工程分为绕、落、回三个阶段嫦娥一号、二号实现绕月探测，嫦娥三号、四号实现月面软着陆，嫦娥五号成功实现月壤采样返回，标志着探月工程圆满收官天问一号火星探测2021年天问一号成功着陆火星，祝融号火星车在火星表面工作超过预期寿命这使中国成为世界第二个成功实现火星着陆的国家，火星探测技术达到国际先进水平未来深空任务中国正在规划更多深空探测任务，包括小行星探测、木星系统探测等这些任务将进一步拓展人类对太阳系的认知，推动深空探测技术发展卫星与安全防御侦察监视功能军用卫星提供全球范围的战略侦察能力，监视重要目标和军事活动，为国家安全决策提供情报支持军事通信保障专用军事通信卫星确保指挥控制系统的可靠性，在复杂环境下维持通信链路的畅通预警探测系统导弹预警卫星能够及时发现敌方弹道导弹发射，为防御系统提供宝贵的预警时间精确制导支持军用导航卫星为精确制导武器提供高精度定位服务，提高作战效能和减少附带损伤国际合作与航天外交中俄航天合作中欧空间合作联合国框架合作在载人航天、深空探在地球观测、空间科通过联合国和平利用外测、卫星导航等领域开学、卫星导航等领域建层空间委员会参与全球展广泛合作，共同推进立了长期合作关系，实空间治理，推动空间技航天技术发展现技术互补术惠及全人类空间资源共享与发展中国家分享空间技术成果，提供卫星数据和技术支持，促进全球可持续发展卫星发射事故案例技术故障原因环境因素影响发动机故障、制导系统失效、恶劣天气条件如强风、雷电、结构缺陷等技术问题是发射失云层等会影响发射安全发射败的主要原因例如，推进剂窗口的选择必须考虑气象条泄漏、电子设备故障、软件错件，确保火箭能够安全穿越大误等都可能导致任务失败每气层地面设备的可靠性也直次事故都为后续发射提供宝贵接影响发射成功率经验经验教训总结每次发射事故都推动了航天技术的改进和完善通过深入的故障分析和技术改进，航天可靠性不断提高失败是成功之母，这在航天领域体现得尤为明显未来卫星发展趋势小卫星星座技术智能化卫星系统量子通信应用以星链Starlink为代表的巨型星座正人工智能技术在卫星系统中的应用日量子卫星通信技术将为信息安全提供在改变卫星应用模式数千颗小卫星益广泛智能卫星能够自主进行数据革命性保障量子密钥分发和量子纠组成的网络能够提供全球覆盖的高速处理、故障诊断、任务规划等操作，缠等技术在卫星平台上的应用，将建互联网服务这种模式降低了单星成减少对地面控制的依赖机器学习算立起无法被窃听的安全通信网络，为本，提高了系统冗余性，代表了未来法的应用使卫星能够更好地适应复杂国家安全和商业应用提供全新的解决卫星发展的重要方向的空间环境方案。