卫星星历2 v- @+ ?- T, z0 h
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5 U+ {- x; L1 s0 Q作者:刘进军 来源:转载 点击数:203 时间:2008年1月13日3 s1 x% E5 ]1 D& j, o
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何为卫星星历呢,听上去这个名词相当的陌生,其实它和我们目前很多人都关注的太空开发是密切相关的。简单的讲卫星星历、卫星工具集、轨道仿真器、卫星星图、卫星运行轨道计算软件等,用于计算、跟踪和预测卫星、空间飞行体的运行轨道的应用程序和系统,统称卫星星历。
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卫星星历应用于卫星控制、卫星轨道跟踪、卫星轨道控制、卫星轨道预测等专业机构。现在,多个国家开发出多种卫星运行轨道计算软件,任何卫星或太空飞行体都无法藏匿。卫星星历能实时跟踪、精确定位、轨位预测等。
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6 c8 p. X0 J0 L# J- j美国国家宇航局(NASA)、北美航空太空防卫司令部、美国空军司令部、CSSI(Center for Space Standards & Innovation)等机构及许多国家都将卫星星历、卫星运行轨道计算和卫星运行轨道计算软件列入常规和重要的工作。
. R6 ~! }0 N w; K& `5 Z% p }4 v, k6 Q, \+ ]
卫星星历
. [) D5 X9 Q. w1 Y# V* `
# }- E- ~. K/ C' e5 s% v' g一、卫星星历,又称为两行轨道数据(TLE,Two-Line Orbital Element),由美国celestrak发明创立。
: m5 ]# G1 v3 @4 U' g. R. k7 J6 d, V1 a6 u& J9 h7 U; c8 W( c
卫星星历是用于描述太空飞行体位置和速度的表达式——两行式轨道数据系统。
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- ?5 L4 @; z3 v卫星、航天器或飞行体一旦进入太空,即被列入NORAD卫星星历编号目录。列入NORAD卫星星历编号目录的太空飞行体将被终生跟踪。卫星、火箭残骸等飞行体成为太空垃圾时,仍被列入NORAD卫星编号目录,直到目标消失。
6 u8 F& P' T, e+ p+ F! S. Z8 A" y/ z% g+ I8 ` \5 r1 r
卫星星历以开普勒定律的6个轨道参数之间的数学关系确定飞行体的时间、坐标、方位、速度等各项参数,具有极高的精度。
! Z/ {# d6 H3 g& U: i/ N: X# `7 T, l6 @, g- `, {0 L
卫星星历能精确计算、预测、描绘、跟踪卫星、飞行体的时间、位置、速度等运行状态;能表达天体、卫星、航天器、导弹、太空垃圾等飞行体精确参数;能将飞行体置于三维的空间;用时间立体描绘天体的过去、现在和将来。
; s8 A5 }; U4 Q5 q
# D/ }4 u6 O2 z5 x卫星星历的时间按世界标准时间(UTC)计算。1 }' j- [8 m$ o4 N9 I
4 Y. ]; W1 P5 P) k卫星星历定时更新。
0 n) z+ g1 e5 m4 W% B- u" n0 T
卫星星历可应用于军事、天文、航天、航天器的预测、定位、轨道、跟踪、测量和太空垃圾的计算、预测、描绘、跟踪。. X; Y1 q! r9 w9 B
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卫星星历早已应用于美国北美联合防空司令部(NORAD)、美国空军司令部、美国国家宇航局(NASA)等。3 ]% J' O6 Y" u, B' z
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二、卫星星历格式5 ~# e5 H" k; A. Y+ G! m; T1 f/ }
2 p% ~4 Q5 U% F' S; p3 ?
卫星星历格式,又称为两行式轨道数据格式(TLE,Two-Line Orbital Element Set Format)。
% a; I; R% O( X% s
) \) y ]' J6 z9 U D3 ?三、卫星星历格式含义:" U7 F: Y& A) }" n- g B
8 R: _1 a4 Y% T% ]0 K( I$ A
卫星星历的结构为上下两行,每行69个字符,包括0~9、A~Z(大写)、空格、点和正负号,其他字符是无意义的。6 J A5 I7 X3 L2 G. w, t1 T1 ?2 h
) W6 J9 N- ^/ Z第0行,将第1行视为0行,是卫星通用名称,最长为24个字符。
( F& ^- H0 l# Z R6 L- R* R6 p) j' F* z
第1行和第2行是标准的卫星星历格式(TLE格式),每行69个字符,包括0~9、A~Z(大写)、空格、点和正负号,其他字符是无意义的。
1 f# g6 m! h8 e$ L, m- e) k+ t' T% a
四、卫星星历字符含义:
' \. b- q3 c! y- C* Q. M8 _0 s/ k5 x3 G5 ?; H: J' W! {
“A”的位置只能是大写的“A~Z”;有“+”的位置表示减号(-)或空格;有负号(-)的位置可以是加号(+)或负号(-);有空格和“.”的位置表示本来的含义,其他位置的数字都是各种卫星参数。
" a5 l- e* {1 t3 E; s
: n8 a0 m- n' J五、卫星星历编号含义) L5 I( l, x+ I- M+ }8 b- ]
5 ~" i i7 ^$ ^# C8 n(1)第1行,字符号1是轨道数据。
! U- c! m; i+ Y# P* B" A: b0 s! u" J" i4 |- q
(2)第1行的1~3和第2行2~3是卫星编号;5 Q. E4 A9 J9 x- V. p' A
( ~5 o, B/ v- P! z- P' o; I
(3)1~4是秘密分级,U、C或S。% O$ i' W$ g% R* F9 s, s. \# U1 z- x
9 W+ o) N$ H0 ]
U表示此数据是不保密的,可供公众使用的;C表示此数据是保密的,仅限NORAD使用;S表示此数据是保密的,仅限NORAD使用。' F5 y2 @1 G) V& k1 _9 ?& N1 t
: G) q# s' S' i+ j
(4)1~6是卫星的发射年份;( x0 a7 |) L' A' R1 w F& P' L5 Z$ ]
5 ?. h6 t' c1 s% p! O
(5)1~10是轨道数据的建立时间,按世界标准时间;
( c9 s4 ~7 M9 \7 ]7 h7 @
3 ~6 r! p) h D) {9 f1 ^ {(6)1~21是两个轨道比较参数;7 m1 Y) {) [+ r; M1 N
; |$ L7 k) e7 z$ p0 z! n2 ]
(7)每行的最后一位都是以10为模的校验位,可以检查出90%的数据存储或传送错误。6 N# C4 f1 Q3 A L& t
1 m+ [+ |( t8 }6 p+ ~! k1 e六、卫星星历含义描述3 @3 t' _, I% m8 K1 D+ T9 ~+ }
$ G' m: |4 A) p$ c; _1 F
两行式轨道数据描述可以帮助解读卫星星历。现将两行式轨道数据分为两部分,分别描述。
y- V0 b3 x* I* y+ P1 g; [6 ~( G0 P) o, R
七、卫星星历分析( `% o! Y% D/ K" p
! ]7 \, U7 q+ h3 ]; S* z
卫星星历分析,以一组“鑫诺3号”卫星(SINOSAT 3)的两行式轨道数据为例,说明各项数据的含义。
$ p5 ^, [, u, \
. e4 s% v7 V* g: O5 N2007年6月1日0时08分,中国在西昌卫星发射中心用“长征3号甲”运载火箭成功发射“鑫诺3号”(SINOSAT 3)通信卫星。; k6 G$ q7 ^& ]) I! p7 M0 P
6 x' \6 c! Q( R2 x
2007年6月7日3时06分,“鑫诺3号”卫星在发射升空后,先后成功完成太阳帆板展开、通信天线展开、星上远地点发动机点义和四次变轨操作,成功定点于东经125°的预定轨道位置。, x9 U" P$ o. s$ @+ R5 \3 V
/ ]' K, z3 E+ w' X8 q/ m D
U.T.C.时间为2007年6月18日02时10分56秒时的“鑫诺3号”卫星的卫星星历。+ m/ C% A. `6 d9 J7 F
2 }' ^/ C1 I& j& t
八、几个中国卫星的卫星星历
8 n! W& d* Y; M) l; X
7 [7 e) n! t- D7 `& w e$ _9 C(1)中国发射“鑫诺3号”通信卫星的“长征3号甲”(CZ-3A),作为火箭的残骸,也是太空飞行体,也被列入NORAD卫星编号目录。 I7 A9 z+ }+ p5 d6 T
/ W- w: Q" y) d+ x) d
(2)中国遥感2号卫星(YAOGAN 2)的卫星星历。
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# ~7 e$ u( Y2 N" n7 _4 \(3)2007年1月12日,中国以发射导弹的方式,成功摧毁退役卫星——“风云”1C卫星,反卫星导弹试验成功。2007年6月19日,中国风云1C卫星产生的六个碎片两行式轨道数据。+ K1 k/ H" O4 S6 l( h6 E
) L1 g' \1 K4 h
九、卫星星历TLE格式名词解释
; n4 @( r m, U9 Y
# C1 j0 R5 O9 U, S5 _(1)第0行/ _; n9 a0 a0 i5 g5 g6 U1 B" @9 Z
! f, I" I# s u& Z6 T0 E- j
第0行是一个最长为24个字符的卫星通用名称,由卫星所在国籍的卫星公司命名,如SINOSAT 3。卫星通用名称与NORAD编号、国际编号都是卫星识别编码。
# {# _7 D6 L* @1 G; w6 s5 T
# x( R, v+ f* ?(2)行号
: d$ V5 G Q: z) W4 B( Z! P0 I+ h C' \
行号是卫星星历的序列号,如第1行或第2行。- H" \7 N [1 H" p( O4 C
1 {; P* }, [$ U0 R
(3)NORAD卫星编号1 ^# `# y Z' Z" W0 l
: O. @+ ^0 Y- b( S+ C
NORAD卫星编号,又称为NASA编号,SCC编号,是NORAD特别建立的卫星编号,每一个太空飞行器都被赋予唯一的NORAD卫星编号。
! D+ R" s* J3 C# |6 X" {+ B( A
" J9 T/ x2 O$ oNORAD卫星编号由五位数的卫星识别码组成,每一位数都有特定的含义。
: w5 Z9 e; D- e5 K# J0 M1 A0 J& E+ q+ @: s
如“鑫诺3号”卫星的NORAD卫星编号为31577;遥感2号(YAOGAN 2)卫星的NORAD卫星编号为31490;“长征3号甲”(CZ-3A)为31578。! q' G+ M. A8 A: q% y" K
4 P: H5 z) i+ O A Z
(4)秘密级别4 f! G- L' l9 D! C) k/ c$ U$ ]
! z. }* g( k# O; k卫星星历的秘密级别,分为3个的级别,分别用一个字符来表示:
. H* M: Q% D( W3 d
: J% S6 b3 ?/ w* ]①U 非保密的
9 n! |( r3 A' k, V* o
9 ~; O" Z/ w' n( j8 _5 g②C 机密的
! H r/ d: a0 g2 A7 b s# P* @* O: @1 J' _2 |
③S 绝密的
* z( N% N/ I/ N: [
6 @- z/ U7 i4 S1 e) p9 H6 u(5)国际编号6 z5 D- }5 p4 S) `4 D) i
* Y- l4 W% n2 y8 f$ u- R$ O
国际编号是全世界国家使用的一种卫星标识方法,前两位是发射年份,后面是在这一年的发射序号。: n# |0 c! m* M
0 L+ k& e: u' u7 @! t如“鑫诺3号”卫星的国际编号是07021A。
: O7 E1 b: ^8 p4 E; _* l! D# J- O# I+ d$ i& Q
“07”表示“鑫诺3号”卫星的发射年份2007年;
3 ^* G( s7 t! p2 G6 O, C( H4 u& v+ x5 U& G5 S
“021”表示2007年国际编号的第21次发射;+ I% T; [9 x# ^
; X: ]. p5 e" `2 C q8 Q, [* |% t“A”表示是第一次。按照国际编号规则,如果一次发射多颗卫星,使用26个英文字母排序,按照A、B、C、D的顺序排列为每个卫星编号;如果超过了26个编号,则使用两位字母,如AA、AB、AC编号。
& J3 f: J& Q, i7 D3 h) v$ v) ]! F$ A
(6)TLE历时
6 o3 C; b7 n5 C; V; g r9 R4 D! R) R- R
世界标准时间(UTC,Universal Time/Temps Cordonne),又称为协调世界时。, Z4 v, p( x, g2 M" I2 N: |
0 k9 ~0 U# @; p% J( l
UTC是从英国国际时间和法国协调时间演变而来。UTC是以原子时秒长为基础,在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。& H" {6 a5 \6 b
+ E8 l, |1 z+ c2 }, g
UTC使用纪元年的后两位,以及用一个十进制小数表示的一年中的第几日和日中的小数部分。
/ x8 L# V( N, n+ V) I7 ~5 x5 y- N: n/ w- l {; V
TLE历时使用UTC,指出了飞行体在确定的平近点离角的最精确的UTC时间。8 K& c. O+ }; q a2 o' S
& u% o/ S7 Q% z/ I( ]如“鑫诺3号”卫星的TLE历时为07169.62576014。; ~2 B$ x( |$ N- d. A ~6 |* c6 H+ ]
z8 p* C2 n' z; Y6 d8 H" Q3 F( \3 Z
“07”表示2007年;
( X# p! s6 F8 R- k f* O, F [0 v: y9 q% G
“169.62576014”表示2007年的第169.62576014日。换算成精确的U.T.C.时间为2007年6月18日02时10分56秒。) N0 U, d' }1 k# m1 R% D
$ z) a" f2 a d; W
(7)平均运动的一阶时间导数 l: j. b+ h8 f, j- U# N. B1 x
7 `7 q2 ] }3 `7 M
平均运动的一阶时间导数作为一个平均运动的漂移参数,用来计算每一天平均运动的变化带来的轨道漂移,提供给轨道计算软件预测卫星的位置。两行式轨道数据使用这个数据校准卫星的位置。* k/ k! Z4 r4 Q0 u4 K8 C
: z0 D6 | R, u' ?! r R(8)平均运动的二阶时间导数6 b1 S$ a& ~1 R( x4 P8 N7 S# V% |
) T3 ?. \% F. e0 J平均运动的二阶时间导数作为一个平均运动的漂移参数,用来计算每一天平均运动的变化带来的轨道漂移,提供给轨道计算软件预测卫星的位置。
. n% L" i/ y4 P+ x
4 T7 V0 X+ [ P0 O6 d* T( [% d9 J& B(9)BSTAR拖调制系数
0 r7 Z; }; d4 o) E& y2 E
- H- |% C B# w/ d2 I$ b9 K" [BSTAR拖调制系数,采用十进制小数,适用GP4一般摄动理论的情况下、BSTAR大气阻力这一项,除此之外为辐射压系数。
8 o0 p# _& I J& r$ {1 U' M2 s. q, c; D1 U
BSTAR拖调制系数的单位是1/(地球半径)。' B. Z2 D0 e7 N+ S/ M
/ H0 g# [) v- s% P
(10)美国空军空间指挥中心内部使用
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) |9 d) Z- g+ R6 A2 r美国空军空间指挥中心内部使用的为1;美国空军空间指挥中心以外公开使用标识为0。
0 L# X0 {! y8 C0 O" o0 U; @4 S% {; S2 t
(11)星历编号& A4 Q5 j/ t; W( J6 j' H- n. P
5 t6 {9 D6 R4 z/ C# X
星历编号是TLE数据按新发现卫星的先后顺序的编号。当一个卫星生成了一套新的TLE数据。在新的TLE数据中,新发现卫星的星历编号按顺序排列,每个数字代表一定意义。如“鑫诺3号”卫星的星历编号为444。+ t$ c) W9 @: P* H: ]$ u
2 P$ q3 {. d( U3 \0 m3 c
(12)校验和+ N) D6 |/ H, Y9 H! E
- W: Q% V, `+ h4 R- Z9 k校验和是指这一行的所有非数字字符,按照“字母、空格、句点、正号=0;负号=1”的规则换算成0和1后,将这一行中原来的全部数字加起来,以10为模计算后所得的和。- w' ]- @# U& B9 Q$ c8 \
4 m5 d& K' s5 u: y+ Z+ q2 K; M; R9 r( y校验和可以检查出90%的数据存储或传送错误。按十进制加起来的个位数字的校验和,用于精确纠正误差。
' z6 b" M$ z* I% W4 y& R1 n
' y5 X, X, ]# q6 \/ S, U第1行或第1行的校验和,就是第1行或第2行的精确纠正误差的数字。& k( Q y' Q- v' k. N1 ]
' Z! w! c C( N. H& O(13)轨道的交角(度数:°)4 A8 P8 i6 E% T2 v' X! t! M
; Q( P* ]* m6 n' w+ J" s$ m
轨道的交角是指天体的轨道面和地球赤道面之间的夹度,用0~90°来表示顺行轨道(从地球北极上空看是逆时针运行);用90~180°表示逆行轨道(从地球北极上空看是顺时针运行)。
- @0 D6 o" o9 A& o. }
; G6 \: M1 N' L# D(16)升交点赤经(度数:°)
& x' L: \1 }8 R, w9 p0 t, T( H8 R# E4 ]9 k- t1 J, b! L: N! x
升交点赤经是指卫星由南到北穿过地球赤道平面时,与地球赤道平面的交点。
8 R) C3 x8 S" s4 i* E' s0 A; U8 p, b7 x- H# t0 s; l! U. E
降交点是指卫星由北到南穿过地球赤道平面时,与地球赤道平面的交点。; v# j4 ]$ u- ~! y2 I7 C- A- [
, d/ \1 y/ Y" M2 Z m升交点赤经是指从地球的球心点望过去,升空点的赤经坐标。 N( [5 c3 ]- I2 n* }7 }
- U; \5 A! v( v
(17)轨道离心率
$ s/ p1 v0 x& s3 C! S
# q$ g; H# r$ T( } O3 L' Y8 z轨道离心率是指卫星椭圆轨道的中心点到地球的球心点的距离(C)除以卫星轨道半长轴(A)得到的一个0(圆型)到1(抛物线)之间的小数值。
( ^! [ c# F8 U9 Q. a( R! E; \0 D+ n: M
在TLE格式中没有体现出小数点,但是总是假定有一个小数点在第一个数字之前。它说明了卫星的轨道椭圆有扁率,以及近地点和远地点的轨道高度。( h, {2 n3 `8 f1 u5 M h) B% |
% T1 k, w5 r. S8 {% M, I+ `; Y+ h# o
(18)近地点角距, n) {* d8 G. e' Z* \. H. g$ B) c: H
4 c- L+ Q' x) u2 K6 q2 C
近地点角距是指在卫星的轨道平面内,从升交点到近地点按照卫星运行方向所走过的角度。近地点角距的数值是一个范围在0~360°之间的度数。
/ l8 j4 g# O" `9 S7 @' P+ n5 X" r2 B v O/ e% d/ S2 G8 }
(19)平近点角
8 ^! N8 {" M9 O
/ |" V0 a( Y4 s平近点角是指平近点角与真近点角和偏近点角之间的关系,即卫星在椭圆轨道上的瞬间位置。平近点角通过开普勒方程求得。3 e/ ^" p' d) F. e
1 R7 U1 ?) @+ Q4 R1 Q- T平近点角主要用来指示卫星在TLE数据中的特定的TLE历时瞬间时刻的位置。. R r' |0 C& n5 H9 Q- T
, p! B5 ?7 j. [, D }平近点角的数值是一个范围在0~360°之间的度数。
. d( A- ?/ W8 h$ o
# x8 E- h* s/ q" b0 {5 }7 z(20)平均运动+ k! H: y, L: U; a" e- V+ T; o
; ?$ f4 H+ H* D" A4 g6 Y' n& q
平均运动(n)是指在一个太阳日内(24h),卫星在它的轨道上绕了多少圈。) c4 i$ A7 H6 @5 l* C
- g/ I7 z B. N. p3 G
平均运动的数值可以在每天0到17圈,没有每天超过17圈的稳定的地球卫星轨道。2 }6 S. s0 W$ s# u' C1 ^
& l: `4 I. k9 L$ L* f) K8 h+ q卫星轨道周期(T)可以通过求平均运动的倒数获得;卫星轨道半长轴可以用平均运动的数值通过开普勒第三定律求得。开普勒第三定律,又称调和定律:行星绕日一圈时间的平方和行星各自离日的平均距离的立方成正比。
! ^$ O6 _' A, q& t# h, {6 p
4 H' R6 r- G0 x3 _(21)在轨圈数
% t6 Q% Y, L1 z, r+ p
# j0 ~9 u! R3 H6 W% K, P* t在轨圈数是指卫星从发射到TLE数据记录的TLE历时之间卫星在轨道上绕行的总圈数。
# {3 X% u% X' g% B5 y1 f- G1 Z! a4 e; M
在轨圈数的最后一位数是小数。; n$ d% B# o7 R, j7 V8 F$ K) g5 o
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