|
卫星星历
) a( Z" l3 e/ R4 c
7 M) e! j) o& A1 m% |7 P4 p4 e
" t4 K( k; @$ k5 m作者:刘进军 来源:转载 点击数:203 时间:2008年1月13日
( Z1 K" x+ T0 k( X
. V9 s+ V5 p4 t: b6 @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。
" d& w2 L; o* u$ N, G) x$ G V- n/ O
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。, g- [ R9 B& g! \7 L/ ]
9 G8 X+ o% x3 f- Z. P: O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。( ~( W; t1 w/ p K5 |% s! r- m
0 ]# f& q h4 Y' z1 i5 I卫星星历& V9 f0 n6 c4 B7 o) @. L6 Z; j
0 ~. z& z! U/ C/ q, Q9 X2 v" e, B
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。
3 _4 H/ d/ U$ l6 I/ J9 V, h, o# M% ^/ d! G5 U
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。, J; `8 W( T J. z+ J" b
& ?# o# q, {; X) P. P
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。2 Q3 _" m( Y& W, c1 I+ A! C2 ?
6 ~9 x0 v6 i% D, P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。7 \# _: C( P! e$ i K# O. v
' c7 M! }1 J# k {5 A0 a5 _& _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。# ^6 \3 ?3 Z* `( s u$ G! Q
' Y; X5 @. b" `7 ]
卫星星历的时间按世界标准时间(UTC)计算。
6 `# J7 r( f. V- H( t
1 \; X0 R+ y. {6 l3 j' K! e卫星星历定时更新。9 X% H3 a# B4 X @3 V( G. V
# E/ W" _# G# C, `$ P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。
5 f* B2 y; ^7 H) P+ u6 I' m2 h: e7 v* m
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 k1 K7 A9 ?5 l8 |3 H% ~
7 C& b d x( F. x" L+ W* f$ Q二、卫星星历格式8 y- a; E3 S6 ?' _4 e D
5 U' ^5 `0 q+ W7 G5 S l4 |6 o
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)。
- j: \& ^% ^0 x* E7 X- q5 N( H+ ?9 @9 ]$ n- h1 {
三、卫星星历格式含义:8 W: F9 D8 e: ~
0 ?+ [. N" E- Z2 |. L
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。# V/ @# j& z" f( {; q* n9 i, ^
# b' o/ [- ]- w% b1 ~, r2 t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。
' ?1 x2 q0 l2 ^, v' e7 }
9 u& E7 H! [4 Z9 f, ]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。9 a5 ~: Z% a9 I- w- Z) p5 ?7 d5 b
6 [+ Q9 g) L! {" g
四、卫星星历字符含义:% u6 l7 I; K8 N; g0 |% T7 J
' a, j- @* T% P1 D- y9 Z% y“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。
2 B! J9 y) b. K: Q$ m7 H
+ U5 Y3 g% p/ r! o; s五、卫星星历编号含义
' D, ?9 M( d$ x. Z. f6 C$ ~
' ~+ ~# r+ X# b3 R+ X; _8 e6 n/ {, c% p! i(1)第1行,字符号1是轨道数据。
* `/ }1 \3 }* c( A& d6 }. }0 b1 A, t# b: l# Z1 K3 M
(2)第1行的1~3和第2行2~3是卫星编号;
5 S( \; f, a2 G3 v1 c. V
7 F+ T$ u$ @8 g8 i; q(3)1~4是秘密分级,U、C或S。
+ J& K9 z; y8 \0 ~* L, ]* `+ a' ?7 V6 ~- Z& @
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。9 W" H5 k9 W- D& E$ Q, _
2 z1 @- ~) J9 i" C(4)1~6是卫星的发射年份;
. C4 D( a% ?0 T) ^
, j5 v, x: P% V3 y* E6 ?(5)1~10是轨道数据的建立时间,按世界标准时间;
% R- ?, H4 @$ H7 ~, W1 c8 s
+ ~! y; P4 k& D(6)1~21是两个轨道比较参数;/ I8 @' n5 F: _2 D7 Q
7 ^6 O) ]# g/ D3 x(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。
. `8 V* d. P! W5 d# Q: G4 w- q4 u& K7 C
六、卫星星历含义描述( A& }+ y) e$ D: `6 d v! ^
\% |* o3 o' R5 S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。
) A% i. J5 E6 o' D5 Y; Y7 `. `5 t+ v$ ~3 B
七、卫星星历分析
! e8 e# y) y) Q' q, x
* _& c# O" F* e1 {3 A: h1 ~; m% c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。: ?) N* r1 z7 E! O4 Z( o
. i& _0 h6 Q+ W- h( }+ f* A5 l2007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。7 z5 Q: T* P4 [; L! e
1 K( d2 f s- A, n9 {3 F
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。- e9 n4 u/ q: N6 K- z8 N( p
1 ~0 R, C' ~1 jU.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。
6 y/ p( |8 \6 t
, [. R: E# w" w, |八、几个中国卫星的卫星星历2 n0 P1 ~4 { ^, e+ `& o" ~
6 ]- ]1 {& 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。
+ j/ ^" a3 |* K9 I8 x+ N% ] V, A1 m: I2 Z7 J
(2)中国遥感2号卫星(YAOGAN 2)的卫星星历。" `) z) N: f! Z8 I4 k# o
! M; v& v; G& K1 [- U% C(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。 A7 Q/ ]3 U% w+ ]1 m2 h4 ]. ]) I8 I
\8 L/ _$ T1 b. S, i: o' f九、卫星星历TLE格式名词解释; V# @: P8 A6 Z1 f
' P; W4 ]7 V3 T- @8 z+ z4 O(1)第0行
% W N# ]3 c% p( O2 s# G. j' x
& L. ~5 z1 Q* s1 B4 S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。% P" T0 X/ K/ `
+ ]# |0 o" @- T1 p" P(2)行号
0 I" }5 p, e" r- J' N7 W# I. |1 V
6 `+ h+ E: s6 j+ E W行号是卫星星历的序列号,如第1行或第2行。
9 ]5 l$ S- C% [5 t# ^( U* I
* `9 Z( V6 V2 F+ i, b' C+ S5 Y- y8 t(3)NORAD卫星编号* w2 n1 N1 c$ E# {: J! z
2 J$ R- U2 M6 g) R) N: s! K$ g0 w/ t4 cNORAD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。
i& ~7 m7 `* h/ i- i, S' j. A$ ~- ?; _
NORAD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。5 z% y. J8 [" O* S
0 K8 u+ l0 ?. i
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。7 M- A2 B6 B" E( v1 |7 p
( U) O6 T/ @+ v6 n
(4)秘密级别
8 b, m! L% c) y. r3 @9 F1 U& c P, u9 R
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:
6 i. o( `; h* Q" i C* q/ B+ o5 h9 g6 k/ \, V8 u
①U 非保密的
: Y5 p1 }0 I' @ X* O
! {0 m& s0 y9 F# x- J②C 机密的) |* u( L2 P/ B1 U' F; c6 P
% m J6 g `5 E& a- |' A③S 绝密的
- o( s2 q0 A' v* l7 d5 J' ^0 N* {! K4 S. f
(5)国际编号
: c/ A' Q2 Q. [1 W3 \9 M4 ^
, ^. \$ I! \1 c" j8 ?6 G$ z$ }4 V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。
0 _2 H- \ e/ G7 m/ |8 M
: x0 U% F2 g7 n/ t! [如“鑫诺3号”卫星的国际编号是07021A。
) i- z, J4 |* X) P" o% e
/ N/ U9 \3 U+ B& A" F- r; Y“07”表示“鑫诺3号”卫星的发射年份2007年;
) }% u' t5 w, d' X( @6 a& e, ~' [0 z0 @
“021”表示2007年国际编号的第21次发射;7 T% ?: E# d3 b% m' P" C; [
% G% t6 x# U& T6 m7 k
“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。
$ s2 Z* B+ T0 F) ?! b% K' U' D' X, a! |- p" T( Y
(6)TLE历时
8 n8 i0 `& K& i- Z" P, m- t$ P
4 V/ f: b9 o6 E$ w世界标准时间(UTC,Universal Time/Temps Cordonne),又称为协调世界时。
$ v% Y- K3 B% X+ i
/ {" m8 \! F/ j2 N1 k- Z+ MUTC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。
, R2 I! a. i4 ], P
- x5 w4 Z, T# \' P* ~+ V+ B$ n8 A2 @" PUTC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。# X- B+ c# K& ]5 T- K
) J+ p$ o; |& Y% x' `( |! X4 h
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。
7 w8 J& x( H- c6 q1 E v: g) z9 l3 l9 V7 t
如“鑫诺3号”卫星的TLE历时为07169.62576014。3 a& B* o' p/ [. z, A$ E4 X
' D$ r4 c" L) J* Y+ E; H3 A3 Q9 U
“07”表示2007年;
4 G" i# O; ~6 F( J
% A& I2 @ b2 |1 E" G; X0 I* O: ~“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。
" i6 R; p3 A9 o7 m
& z7 r# f- f9 p* z(7)平均运动的一阶时间导数+ ~4 T* a; _1 Q" L; A6 b6 b4 s
, Q+ Y% o& o- y$ Y! E
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。1 q, W9 P, U1 [0 i: `( V1 @: t
" P# m) R: J1 ~: w! C# T, B) }(8)平均运动的二阶时间导数
2 a3 H( e* K4 H7 g* H/ J4 X% I+ Y
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。
; F X6 g g1 ~" D
- `: }9 a7 u ]4 Y, l6 y4 L+ z5 w. L(9)BSTAR拖调制系数" S7 O# t$ } x
" ~* f4 R' U0 j% qBSTAR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。
) B$ L9 z+ A' D, \0 m# x: m
6 G7 E2 N" Q! R0 ?% KBSTAR拖调制系数的单位是1/(地球半径)。& @3 T/ k5 B% t3 i
* ^8 ~6 x3 x& w) ?5 f* @6 Z4 s
(10)美国空军空间指挥中心内部使用
! [7 m9 B* z! ]" e, a. I2 a9 `* X5 w0 ]+ ?
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。
, }& I) `! z* _+ @. x7 `0 t, Z9 p; s4 @4 q
. m7 g% O% J7 K! |( k% l: y2 n(11)星历编号
- H' ^) I# e* d, M* u* F' d2 ~' H8 p
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。
4 `3 |5 O( o: W1 x: n7 k9 _0 H/ {$ x. F* i! k* n& K
(12)校验和( Q5 \$ Y1 ]& `! ]
! R* Q& h, E. N9 }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。3 m* T5 H. _& d
! i8 v" z9 j: E
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。; W' O% B9 F$ F0 S9 h
3 q4 v# L4 w. b4 M% P% @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。* E7 E! n. w) B9 `8 W {! F
' F1 O8 Y! |3 X3 [! T(13)轨道的交角(度数:°)8 X6 G, o5 a0 X# p$ v' N
! [% q3 ~* B- E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)。! x0 B2 t# e$ N: @7 D* S
4 X( R9 c' z, V) X% e(16)升交点赤经(度数:°)5 |" A! d/ c* ]; v! r F+ d( o7 s
5 f# n g! V8 f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。: O8 u( W- D8 P) C0 D2 b8 {
9 [$ ]0 f; g5 ]" R" @7 Y s* R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。9 F7 s" u5 U3 e, w
" w4 ~& W6 J$ v. E2 b6 j
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。/ ~8 V+ e% [+ g9 F; V# Y
& G5 M: l* o& V: e) d3 s& n
(17)轨道离心率
4 z- L9 u6 p9 V4 u9 h
" p" Y: P1 I* U" X& ^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。
4 L. c1 [# D% |/ d
( v" k. E, O& C6 N5 Q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。! B2 I' V" D! z* ^/ k
' m5 `* h' D- j9 n(18)近地点角距
! _( s5 ~3 a/ J! {5 v( {6 o' b* I2 ~, a
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。+ j6 s9 I K, C6 c
1 L2 Q2 h4 W1 [
(19)平近点角0 P/ [8 }* y h/ @& J
: a5 l# [+ z$ ]7 Z6 s A n" J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。1 O0 i$ _& C, `- Q$ \7 Q9 h+ o
" ^5 N( K- b. k) F! D6 n8 v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。* `# y1 u' N( o( @4 F2 P
7 z# `# O" A' J1 U0 ~
平近点角的数值是一个范围在0~360°之间的度数。
y8 c) }7 a: G, H" E# _
0 D: R1 ^6 l% H6 u; D1 \* w(20)平均运动
6 q- q% U2 o+ W5 z3 H( ~0 g9 k6 q6 ?4 C1 v, }$ e3 [
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。$ ]' K" Z: c0 \
6 Q/ G, B" ~6 L4 b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。: P, a5 g- p+ x1 n6 l# v* L' h
' w s2 m" ^: T
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。, e- m# v/ j- B
6 G5 @6 {- e9 L/ l/ R4 G(21)在轨圈数
8 o; O% n" j7 y) T; m
7 b, ?, ], l9 g! w" I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。
: `) P9 o8 V9 j1 T
/ [6 U' f9 L1 k3 k9 I; W: K! ]+ ]在轨圈数的最后一位数是小数。5 ?" g7 f- s& o3 N5 j
__________________ |
|