基于兩行軌道參數(shù)的衛(wèi)星跟蹤應(yīng)用

丁建林

華東電子工程研究所，合肥 230088

基于兩行軌道參數(shù)的衛(wèi)星跟蹤應(yīng)用

丁建林

華東電子工程研究所，合肥 230088

本文簡(jiǎn)要介紹了開(kāi)普勒三定律以及確定人造地球衛(wèi)星在空間瞬時(shí)位置的6個(gè)軌道參數(shù);詳細(xì)描述了由美國(guó)Celestrak 發(fā)明并創(chuàng)立的衛(wèi)星星歷即兩行軌道數(shù)據(jù)( two2line orbitalelement）的格式和含義；并根據(jù)衛(wèi)星移動(dòng)式地面站的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種衛(wèi)星地面伺服跟蹤軟件。本軟件使用最新的衛(wèi)星星歷,依據(jù)兩行衛(wèi)星軌道參數(shù)，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確跟蹤。

開(kāi)普勒三定律;衛(wèi)星星歷;格式;分析;衛(wèi)星地面站；伺服跟蹤軟件

the three laws of Kepler; satellite ep hemeris;format;analysis; ground station of satellite；servo control software

引言

衛(wèi)星作為一類重要國(guó)家裝備，已在軍事、氣象、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、能源、交通等眾多經(jīng)濟(jì)和政治領(lǐng)域發(fā)揮作用[1]。作為衛(wèi)星系統(tǒng)的重要組成部分，地面站的天線伺服系統(tǒng)控制天線對(duì)目標(biāo)的跟蹤是系統(tǒng)重要的一環(huán)。與大型地面站的多個(gè)計(jì)算機(jī)組網(wǎng)系統(tǒng)不同，小型移動(dòng)式地面站往往只能提供少量計(jì)算機(jī)來(lái)處理信息[2]。如何在資源有限的前提下完成衛(wèi)星伺服跟蹤的諸多功能，是值得探討的問(wèn)題。本文介紹的衛(wèi)星伺服跟蹤測(cè)控軟件，利用單塊CPCI計(jì)算機(jī)，基于Visual C++開(kāi)發(fā)而成。它以星載任務(wù)管理為核心和驅(qū)動(dòng)，來(lái)進(jìn)行高數(shù)據(jù)率的伺服引導(dǎo)，并完成伺服跟蹤數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲(chǔ)。此外，還可提供伺服跟蹤效果測(cè)試。

人造地球衛(wèi)星繞地心做圓錐曲線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律滿足開(kāi)普勒3定律，即: 第一定律(軌道定律）:衛(wèi)星軌道為一橢圓,地球在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上; 第二定律(面積定律）:衛(wèi)星在過(guò)地球質(zhì)心的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),即衛(wèi)星的向徑(衛(wèi)星至地球的連線）在相同的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積相等;第三定律(周期定律）:衛(wèi)星運(yùn)行周期取決于軌道的半長(zhǎng)軸(與半長(zhǎng)軸的二分之三次方成正比）[3]。根據(jù)開(kāi)普勒3定律,人造地球衛(wèi)星在空間的瞬時(shí)位置可由以下6個(gè)軌道參數(shù)確定:(1）軌道半長(zhǎng)軸a :軌道長(zhǎng)軸值的一半;(2）軌道偏心率e :橢圓兩焦點(diǎn)的距離和長(zhǎng)軸比值,0＜ e ＜ 1,圓軌道的e = 0;(3）軌道傾角i :軌道平面和地球赤道平面的夾角,對(duì)于位于赤道上空的同步靜止衛(wèi)星來(lái)說(shuō),傾角為0;對(duì)極軌衛(wèi)星,傾角約為90°;(4）升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω:衛(wèi)星從南半球運(yùn)行到北等: 衛(wèi)星由南到北穿過(guò)地球赤道平面時(shí)，與地球赤道平面的交點(diǎn)叫做升交點(diǎn),這個(gè)點(diǎn)和春分點(diǎn)對(duì)于地心的張角稱為升交點(diǎn)赤經(jīng);(5）近地點(diǎn)幅角ω:這是近地點(diǎn)和升交點(diǎn)對(duì)地心的張角;(6）過(guò)近地點(diǎn)時(shí)刻z :即衛(wèi)星通過(guò)近地點(diǎn)的時(shí)間。指軌道平面上衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的起量點(diǎn),為時(shí)間的函數(shù),以年月日時(shí)分秒來(lái)表示,確定衛(wèi)星在軌道上的瞬間位置。a 與e 這兩個(gè)要素決定了軌道的大小、形狀。i 與Ω 這兩個(gè)量決定了衛(wèi)星軌道平面在空間的位置。

1.衛(wèi)星星歷

美國(guó)的Celest rak 在衛(wèi)星軌道6要素的基礎(chǔ)上,發(fā)明并創(chuàng)立了衛(wèi)星星歷,又稱兩行軌道參數(shù)( TLE、Two2Line Orbital Element）或衛(wèi)星軌道參數(shù)。它以開(kāi)普勒定律的6個(gè)軌道參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)確定衛(wèi)星的時(shí)間、坐標(biāo)、方位、速度等各項(xiàng)參數(shù),具有極高的精度,主要用于對(duì)人造地球衛(wèi)星的計(jì)算、預(yù)測(cè)、測(cè)量、跟蹤、定位、接收等[4]。北美聯(lián)合防空司令部(NORAD）、美國(guó)航天司令部(USSC）以及美國(guó)宇航局(NASA）都采用了兩行軌道數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算、預(yù)測(cè)、跟蹤、定位衛(wèi)星,在北美聯(lián)合防空司令部(NORAD）的網(wǎng)站上提供各種衛(wèi)星如資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、GPS 衛(wèi)星等的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)庫(kù),并定時(shí)更新[5]。

1. 1 兩行軌道參數(shù)格式結(jié)構(gòu)

兩行式軌道數(shù)據(jù)是美國(guó)的北美防空聯(lián)合司令部(NORAD）創(chuàng)立的用于描述衛(wèi)星位置和速度的表達(dá)式，它由以下幾部分組成：

第0行是一個(gè)最長(zhǎng)24字符的衛(wèi)星通用名稱；第1行和第2行是標(biāo)準(zhǔn)的兩行式軌道數(shù)據(jù)格式（TLE格式：Two-Line Orbital Element Set Format），每行69個(gè)字符，包括0-9，A-Z（大寫），空格，點(diǎn)和正負(fù)號(hào)，除此之外的其他字符都是無(wú)效的。

1. 2 兩行軌道參數(shù)含義

以我國(guó)北斗衛(wèi)星的兩行參數(shù)為例進(jìn)行說(shuō)明。

130323 U 07003A 07040.19663950.00006017 41741-659696-30 133

230323 025.0191 007.60767597678183.0685165.698101.91889329 126

第一行

30323 U NORAD衛(wèi)星編號(hào)。由五位數(shù)組成，U代表不保密,C 秘密,S 絕密。

07003 A 國(guó)際衛(wèi)星編號(hào)。前兩位是發(fā)射年份,后面是在這一年的發(fā)射序號(hào)，A為組件編號(hào)。

07040.19663950 TLE 歷時(shí)，用UTC(世界協(xié)調(diào)時(shí)）表示這組軌道數(shù)據(jù)所在的時(shí)間,從這個(gè)時(shí)間我們可推算下載的兩行參數(shù)是哪一天的,還可不可用。07年第40日，后面是時(shí)刻。

.00006017 平均運(yùn)動(dòng)一階導(dǎo)數(shù)。

41741-6 平 均運(yùn)動(dòng)二階導(dǎo)數(shù)（小數(shù)）。41741-6是0.41741*10^-6

59696-3 BSTAR阻力系數(shù)（小數(shù)）。59696-3是0.59696*10^-3

0 軌道形式。

133 振子數(shù)。

第二行

30323 衛(wèi)星編號(hào)。

025.0191 軌道傾角I。

007.6076 軌道上升點(diǎn)赤經(jīng)（縱上升角Ω）。

7597678 軌道偏心率e（小數(shù)）。0.7597678大橢圓

183.0685 近地點(diǎn)角距（近地點(diǎn)偏角 ω）。

165.6981 平均近地點(diǎn)角。

01.91889329 每天環(huán)繞周數(shù)。

126 環(huán)繞周數(shù)。

2.衛(wèi)星星歷移動(dòng)式衛(wèi)星地面站伺服跟蹤的設(shè)計(jì)

小型移動(dòng)式衛(wèi)星地面站伺服跟蹤測(cè)控軟件設(shè)計(jì)采用多模塊配合工作方式，具體由進(jìn)程調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、伺服引導(dǎo)模塊及伺服回饋模塊組成。各模塊在任務(wù)管理模塊的統(tǒng)一管理調(diào)度下，有序進(jìn)行各項(xiàng)工作，配合完成衛(wèi)星跟蹤任務(wù)。

3.軟件實(shí)現(xiàn)

圖1 任務(wù)調(diào)度

3. 1 進(jìn)程調(diào)度

進(jìn)程調(diào)度模塊作為伺服跟蹤測(cè)控軟件的核心模塊，對(duì)其他軟件模塊的執(zhí)行進(jìn)行調(diào)度。進(jìn)程調(diào)度模塊由任務(wù)的加載、執(zhí)行及刪除等組成。用戶通過(guò)人機(jī)交互界面，采用菜單方式自動(dòng)或人工加載跟蹤任務(wù)，如圖1，用于引導(dǎo)天線對(duì)衛(wèi)星的跟蹤處理。

在軟件的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，欲設(shè)置的單個(gè)任務(wù)提示起始日期、起始時(shí)間、終止日期、終止時(shí)間，如果當(dāng)前時(shí)間達(dá)到起始時(shí)間則進(jìn)程啟動(dòng)，并控制伺服引導(dǎo)天線跟蹤衛(wèi)星。

3. 2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

任務(wù)設(shè)置時(shí)，提供的是衛(wèi)星軌道參數(shù)信息，輸出要求為地面站天線的地面慣性坐標(biāo)系。所以需要將參數(shù)由地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地面慣性坐標(biāo)。該功能由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊完成，它先將解算指定時(shí)間的衛(wèi)星軌道參數(shù)信息，得到衛(wèi)星地理坐標(biāo)，再結(jié)合GPS獲取的站址位置，得到衛(wèi)星相對(duì)于伺服天線的地面慣性坐標(biāo)，結(jié)合時(shí)間，就可得到該時(shí)刻伺服引導(dǎo)數(shù)據(jù)。此時(shí)的數(shù)據(jù)時(shí)間精確度為秒。

地理坐標(biāo)到地面慣性坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法采用保角的圓錐投影如圖2所示，經(jīng)驗(yàn)證精度能精確到小數(shù)點(diǎn)后第3位。

圖2 保角的圓錐投影示

設(shè)投影點(diǎn)經(jīng)緯度分別為long、lat，地面慣性坐標(biāo)系原點(diǎn)P經(jīng)緯度為long1、lat1，投影點(diǎn)在地面慣性坐標(biāo)系中坐標(biāo)為（x,y），計(jì)算公式如下：

3. 3 伺服引導(dǎo)

解算出的衛(wèi)星位置信息是以秒為間隔的，為使天線運(yùn)行平滑，還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。即將兩秒之間的位置進(jìn)行50等份細(xì)化，每20毫秒發(fā)出一份當(dāng)前時(shí)刻的位置信息，即可避免跟蹤時(shí)天線將要出現(xiàn)的頓挫現(xiàn)象。另外在天線過(guò)頂時(shí)也需作處理，以保障跟蹤的穩(wěn)定性。

3. 4 伺服回饋

在伺服引導(dǎo)過(guò)程中，能夠?qū)崟r(shí)采集和顯示伺服回饋的跟蹤數(shù)據(jù)。并與控制數(shù)據(jù)按時(shí)間進(jìn)行記錄，便于事后查詢，并能實(shí)時(shí)通過(guò)采用誤差曲線的方式。進(jìn)行圖表、曲線的繪制，便于對(duì)天線誤差的觀察分析。

4.結(jié)論

衛(wèi)星星歷是測(cè)量衛(wèi)星、跟蹤衛(wèi)星、定位衛(wèi)星的根本要素。從衛(wèi)星星歷中,我們可獲知衛(wèi)星的位置并與之進(jìn)行雙向通訊。為了準(zhǔn)確跟蹤衛(wèi)星特別是太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星,必須檢查每天下載的衛(wèi)星星歷的TL E 歷時(shí),確保它是最新的。

本跟蹤軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)衛(wèi)星的跟蹤測(cè)控，以有限資源完成了伺服跟蹤的諸多功能。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。因采用模塊化的設(shè)計(jì)，軟件具備良好的復(fù)用性和擴(kuò)展性。

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This paper briefly int roduces the three laws of Kepler and definites six orbit parameter s ofman2made eart h satellite in instantaneous spatial location. The format and meaning of satelliteep hemeris ,known as two2line orbital element, invented by United State Celestrak are described indetail . Based on the characteristics of small mobile ground station of satellite，a kind of servo controlsoftware is designed。This software can control servo tracking system basing on satellite orbit parameters and realize the real-time tracking of satellite.

TN927

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.018

丁建林 男，漢族，1965年9月出生于山東禹城，工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)第38研究所。主要從事雷達(dá)數(shù)據(jù)分析，目標(biāo)分辨與識(shí)別、數(shù)字圖形圖像處理等方面工作。