卫星星历
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作者:刘进军 来源:转载 点击数:203 时间:2008年1月13日% k- a9 G9 b2 x4 k
2 z( x6 q* Q p. E# f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。# i* p) ~! A7 h3 F: u2 R+ y; G- ?
( |% |- V; A" k* y* h5 k) \2 m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。
; [6 x/ c9 T# R9 ]- D/ [
& R6 [ a5 \4 h( d$ y$ g) q5 [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。
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# ~8 {! O* S# Q5 S卫星星历- d& E! {9 P: h6 v+ w7 Y$ d% j
' z3 _1 U! r3 s* D2 \
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。
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( v6 @& a% F2 f) Z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。
7 b. Z% d# r: W+ S( s% S; S- ]8 A% X( j: K0 v: w
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。
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1 d, E5 ` T7 I7 x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。
! K7 x& L& ~2 i; o, {2 y# v! h. k* T! z; r, U0 D; x
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。3 c( T% \) w) p8 `
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卫星星历的时间按世界标准时间(UTC)计算。
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卫星星历定时更新。
2 C' V c# `3 t( T, h7 p0 c# w# }: t! y# E6 a: ?2 w
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。0 @7 ?+ _" }9 U+ s! ^+ b. E
d) T1 r4 M4 D9 s+ [6 m5 \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。
1 z: _) p Y( r8 t
# H) i& Q3 a0 L' n二、卫星星历格式6 v. x) X, @' L- @ r
" T# A7 b r3 P2 [0 G; [
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)。8 s4 ]7 Y! q! l5 {( v0 L! V* T
; k1 a7 i7 F% R5 U0 |3 T$ ~2 {三、卫星星历格式含义:
p' {8 @& J6 C2 v
* I8 P% j: ?. n/ ?1 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。
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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。
* x% `4 C% d6 L3 p0 {; n) V, D6 W+ B- {6 e! ]. w' P8 R5 D
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。8 t1 f/ O1 y1 Y& [/ h* }
; d' m2 o& K2 i, o四、卫星星历字符含义:& }; M4 f4 P3 s
0 O% p- g2 A' I, s“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 }2 |- d: D2 L3 a9 r, E
. [* h& {" P9 d6 U! ?五、卫星星历编号含义1 ]1 A8 i* B0 j& B* L& u
; g. N$ o0 Y3 f" v9 p" a(1)第1行,字符号1是轨道数据。
* M/ q+ [; U9 l' ]1 v4 r% ~4 |. L/ G$ `# ^9 s1 S; a; Q; _9 Y) x, V
(2)第1行的1~3和第2行2~3是卫星编号;
, A( k2 l# t, |' c2 A
! W& O# q9 k1 Q0 C: }(3)1~4是秘密分级,U、C或S。
1 J% w6 v( }' ^, n' E
" b3 r# L7 S0 w3 _$ l6 jU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。
+ u7 F! }$ o% u+ L4 N: ~
* @, J0 A" ]& ^(4)1~6是卫星的发射年份;
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(5)1~10是轨道数据的建立时间,按世界标准时间;
- m" r* q/ q( Q) w1 P/ L4 j
) ^1 k6 O1 k" N+ h' b( b8 i(6)1~21是两个轨道比较参数;6 z8 `0 x2 X, t6 g! Y7 j# B
N9 L. J. U+ z' I4 N, y
(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。5 Q9 M3 i" X1 m
. \7 q s& a, e六、卫星星历含义描述, y2 U4 W! Q" N/ ^
( c6 c6 A0 W/ K6 c5 J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。
+ l8 |& ^4 ?* r0 s! }2 ~& s% R" v% O. ~) T8 F- V
七、卫星星历分析
1 S/ ]# ~; t: T5 O5 s
7 a n. ]; m. d e; H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。! j. K" a' c& g( U7 d6 g+ A
0 u) [7 L+ o; E# u
2007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。$ O0 X' F6 J* @4 T; ?
' `; m, f6 `/ u5 F3 ~$ [
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。" \/ x, _3 o8 f
, @, |" s; w8 i" z, J# M4 o
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。2 C0 J8 i0 Z5 Y7 G
. G6 m% U" y( a2 L八、几个中国卫星的卫星星历/ M9 x: h% P; f
/ [# B( L' B; `* X
(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。- T, P2 o; a( }) p
4 ?" n; A0 S) `/ ]$ Q, S
(2)中国遥感2号卫星(YAOGAN 2)的卫星星历。: T R8 j9 u) y0 ~# ]# J
4 D8 Y. c' w% n" W# ^! M1 j0 v+ \5 b
(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。
6 K A- r8 U+ A$ j. |' ~
9 t0 |* D4 @4 m' I' l* O! J* O九、卫星星历TLE格式名词解释
2 U5 C* E8 T+ \! S4 a2 S; o. u
@4 Y, p( Y: v0 G(1)第0行/ g% Z2 l' `$ g
* n6 |7 x! f5 f0 f4 L
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。
, m1 |7 Z) D, p
+ u9 |5 U8 S5 T2 e1 P6 _(2)行号( l" B9 i) F* p, G# I5 m) m
% C8 n9 }1 G! c4 k
行号是卫星星历的序列号,如第1行或第2行。
: S% \5 i7 v9 I7 s4 f. g/ L' J5 W9 t ?4 j' ^4 m. D
(3)NORAD卫星编号
9 A+ Z8 `& X* s4 `; b0 _+ {$ U& c
4 i. o' t9 N; T- }) ]# p% zNORAD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。" l6 S5 a4 S) N3 X4 C
' I- h% R9 r% }& c
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。) A/ @1 j. ]; c; X- b! k; Y+ I6 O
1 E# W: V. N/ U- @8 o! M3 {0 b/ J( w2 ^ r& ?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。8 W" i: Z, y" q( Z% J4 o6 h
9 I; m% T) ~1 T" t. u8 Z0 |1 d+ v- {(4)秘密级别
) j- \* u& A5 C9 e* n% U) V/ y- U9 w) q8 j8 J$ L
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:
T& }8 V& f) q# J; ]
n; {: C# _) P+ b6 R, d①U 非保密的4 @& z- o ^; ^1 i8 B& U2 X
- m, }8 y' h' e' g. Z! ^+ F, @
②C 机密的7 S ]+ i2 e5 i! V2 {$ O: c2 q
5 U' `' w. t/ k' K6 R5 h③S 绝密的! P3 ~. }# V A/ H) y* z
/ V! ?! p/ m: ]' O/ ]- J(5)国际编号
% h+ _. E* x% d- M, Z/ K+ H2 a. e: W, {& N* |; H
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。7 W( w4 {0 ?! ]" G6 m2 j
9 A' H3 x2 G& x/ B如“鑫诺3号”卫星的国际编号是07021A。2 M- r, E5 K" g4 s% P" s+ l2 I
: x5 b) g/ t- |% ~5 C: c. k4 X“07”表示“鑫诺3号”卫星的发射年份2007年;& Y* c! s+ T6 |- c
% ?, |3 F3 Y* A# R0 m7 N* n% u
“021”表示2007年国际编号的第21次发射;. {" k3 f' @* H! S6 o3 r' T
; ?$ }8 [' ?( c- u: B e- d* Y9 |6 b8 f“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。2 E# W9 _- F3 b* c2 C0 f5 O: T- ]
- R. p6 m7 A5 p) C
(6)TLE历时
2 {7 v; z" `, _# B* Q. w" n5 _$ V `
世界标准时间(UTC,Universal Time/Temps Cordonne),又称为协调世界时。
% J- N1 O; x% U7 a* c# |+ q$ {( ~% B1 F7 `: v2 o; 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。# [5 z& b R/ S# {
# }0 L1 x) D* ~3 A' _; {* l
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。7 w5 e, h- B7 p
2 K, \" m I k. ?5 m
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。4 f8 B- t/ U) }# C
' W, y* b8 W9 N! }1 D" G& q如“鑫诺3号”卫星的TLE历时为07169.62576014。. g, ~7 N0 [8 `( f
: m: k4 h) l# D" n
“07”表示2007年;0 h5 s3 F8 J7 t" o. l8 @) Q5 U: E- X
4 V! q4 q( Y6 n# f3 v2 p+ D
“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。" S% V: ^9 L5 N4 H
2 O( Q0 t0 @, X, V& g; Q
(7)平均运动的一阶时间导数( w: S5 o4 C6 W( R0 ^
+ L h% N; z& D, C& y( B4 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。
( D7 d, |" m' x& M
$ Z' S5 x& G5 A' M1 A z(8)平均运动的二阶时间导数# `" }+ h! [' v/ |
. N+ e5 U4 K' }0 S3 E3 [
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。; z- N" b5 Y# K3 [6 f$ f( Y
( e/ V6 G7 w) T2 G
(9)BSTAR拖调制系数
$ \% J4 V2 O( x: Y) H
, {4 o& p/ Q# h* gBSTAR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。 x; s, ^4 V7 U1 H5 U
5 ? Q3 y: C, [) s3 v/ ]; J4 I
BSTAR拖调制系数的单位是1/(地球半径)。. A) w- n+ ^1 B5 J/ y7 r' R: h" i
+ \2 U- B4 Y( ?/ U0 r% i
(10)美国空军空间指挥中心内部使用/ I0 P5 V7 f. ?1 N+ }* n5 b$ C
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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。
& f r5 o/ C, U8 J. n! M6 V2 j
I7 z* E- N5 I/ C% }+ n(11)星历编号3 Z# A! z" ]/ F8 k. g4 w+ _
4 \5 r9 n6 g; s7 k9 [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。/ W/ y( M+ w9 \3 O: N+ ?
0 Q; a& x3 s- ]0 T! n# `(12)校验和. L/ Q, o4 G& i: K; K7 F
9 B# E3 X/ ~: Y( q
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。 R; B. ^% D+ n$ y( O1 X2 _- y3 V
6 D! m3 x* m+ [$ F; n/ F' v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。
6 V, ^% \( S w
' k' J r1 ~( a2 N( q; g/ C- N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。
K0 Z5 Q }' k0 a q& U
8 D2 M p& F+ k/ B! O8 x: ~(13)轨道的交角(度数:°)
' W9 d$ S: a0 t6 y+ _; @# U5 y% q3 y' w+ q, c
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)。
9 S/ I6 W4 t& j K2 m" r; {1 z7 y( |3 V3 q4 L6 S; b
(16)升交点赤经(度数:°)
O( O8 h) i2 `9 ^' q: M! x* _: C! s, t- N7 ]4 v4 D$ ]% `- v n
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。
4 a/ f b; v# q5 K/ W3 t$ J* }% M6 ?2 @ V: ^( F; J }
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 o$ {, V1 G2 |. I- t, W6 ]$ n$ t# a9 X
7 r' X U; Q H$ ?* t' |" U2 h. G5 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。
5 ~$ l% M: N' ]' D+ [7 U9 b0 X8 R# k0 f7 T* ^
(17)轨道离心率 Y! C7 e5 i) a- b
s/ `2 a3 `4 `! 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。
9 u# h! e/ Q+ d* b: ^- J( c; f4 |6 a0 S( c1 p1 ~/ L6 |9 i" b5 j- V9 W, n
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。; [! T- A* g( y, ]+ p# C
+ f! B' n V' I(18)近地点角距3 {+ V/ _3 X( [$ K9 Q# `* E# H
1 w: U) V! |+ r
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。 W, Z- i% K. o2 E
0 `) d* @0 b# ~& ^. v% H+ q: \(19)平近点角& p% Y, [: I) T }
# ^% R( B) @" \) ~. A# R% s( x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 A% @ ~6 _5 _- `* J5 T
# Y/ \7 h& `" h& u7 ~% z+ K( q4 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。0 s' x$ I) m' y- ~" {$ ^
; \6 y! d+ Z) [' ^* H; S1 B平近点角的数值是一个范围在0~360°之间的度数。; }2 q, D% ]& ^8 c* j
/ e% j! D! P' s' n4 @5 w(20)平均运动
9 y3 U& p7 o, X l9 g% c0 E) A/ j0 V* X7 X* D: Y( K9 Z, o
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。, S* _2 }7 U# P# i. C: |9 Q" X6 l
" _0 C. S8 N! v1 k) A' ~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。* J# p1 w0 S6 c; `$ p$ l
2 b7 k% U# y' @( m( h' o# d! G5 X
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。
/ N# k8 O& x/ \; v. c
6 X5 {$ M/ t6 m* u4 W* J(21)在轨圈数
" ^/ g5 N. D& w: v7 X* `" S8 ~- j/ ^! I2 A" `0 c7 P. e
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。& Y4 ]2 f8 N+ C# u
; e' Y* J" A" P7 M' {# k2 n在轨圈数的最后一位数是小数。
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