基于兩行軌道參數的衛星跟蹤應用

丁建林

華東電子工程研究所，合肥 230088

基于兩行軌道參數的衛星跟蹤應用

丁建林

華東電子工程研究所，合肥 230088

本文簡要介紹了開普勒三定律以及確定人造地球衛星在空間瞬時位置的6個軌道參數;詳細描述了由美國Celestrak 發明并創立的衛星星歷即兩行軌道數據( two2line orbitalelement）的格式和含義；并根據衛星移動式地面站的特點，開發了一種衛星地面伺服跟蹤軟件。本軟件使用最新的衛星星歷,依據兩行衛星軌道參數，對伺服系統進行控制，實現對衛星的實時準確跟蹤。

開普勒三定律;衛星星歷;格式;分析;衛星地面站；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

衛星作為一類重要國家裝備，已在軍事、氣象、地質、農業、能源、交通等眾多經濟和政治領域發揮作用[1]。作為衛星系統的重要組成部分，地面站的天線伺服系統控制天線對目標的跟蹤是系統重要的一環。與大型地面站的多個計算機組網系統不同，小型移動式地面站往往只能提供少量計算機來處理信息[2]。如何在資源有限的前提下完成衛星伺服跟蹤的諸多功能，是值得探討的問題。本文介紹的衛星伺服跟蹤測控軟件，利用單塊CPCI計算機，基于Visual C++開發而成。它以星載任務管理為核心和驅動，來進行高數據率的伺服引導，并完成伺服跟蹤數據的采集、顯示和存儲。此外，還可提供伺服跟蹤效果測試。

人造地球衛星繞地心做圓錐曲線運動，其運動基本規律滿足開普勒3定律，即: 第一定律(軌道定律）:衛星軌道為一橢圓,地球在橢圓的一個焦點上; 第二定律(面積定律）:衛星在過地球質心的平面內運動,即衛星的向徑(衛星至地球的連線）在相同的時間內掃過的面積相等;第三定律(周期定律）:衛星運行周期取決于軌道的半長軸(與半長軸的二分之三次方成正比）[3]。根據開普勒3定律,人造地球衛星在空間的瞬時位置可由以下6個軌道參數確定:(1）軌道半長軸a :軌道長軸值的一半;(2）軌道偏心率e :橢圓兩焦點的距離和長軸比值,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,對于位于赤道上空的同步靜止衛星來說,傾角為0;對極軌衛星,傾角約為90°;(4）升交點赤經Ω:衛星從南半球運行到北等: 衛星由南到北穿過地球赤道平面時，與地球赤道平面的交點叫做升交點,這個點和春分點對于地心的張角稱為升交點赤經;(5）近地點幅角ω:這是近地點和升交點對地心的張角;(6）過近地點時刻z :即衛星通過近地點的時間。指軌道平面上衛星運動的起量點,為時間的函數,以年月日時分秒來表示,確定衛星在軌道上的瞬間位置。a 與e 這兩個要素決定了軌道的大小、形狀。i 與Ω 這兩個量決定了衛星軌道平面在空間的位置。

1.衛星星歷

美國的Celest rak 在衛星軌道6要素的基礎上,發明并創立了衛星星歷,又稱兩行軌道參數( TLE、Two2Line Orbital Element）或衛星軌道參數。它以開普勒定律的6個軌道參數之間的數學關系來確定衛星的時間、坐標、方位、速度等各項參數,具有極高的精度,主要用于對人造地球衛星的計算、預測、測量、跟蹤、定位、接收等[4]。北美聯合防空司令部(NORAD）、美國航天司令部(USSC）以及美國宇航局(NASA）都采用了兩行軌道數據來計算、預測、跟蹤、定位衛星,在北美聯合防空司令部(NORAD）的網站上提供各種衛星如資源衛星、氣象衛星、GPS 衛星等的衛星星歷數據庫,并定時更新[5]。

1. 1 兩行軌道參數格式結構

兩行式軌道數據是美國的北美防空聯合司令部(NORAD）創立的用于描述衛星位置和速度的表達式，它由以下幾部分組成：

第0行是一個最長24字符的衛星通用名稱；第1行和第2行是標準的兩行式軌道數據格式（TLE格式：Two-Line Orbital Element Set Format），每行69個字符，包括0-9，A-Z（大寫），空格，點和正負號，除此之外的其他字符都是無效的。

1. 2 兩行軌道參數含義

以我國北斗衛星的兩行參數為例進行說明。

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衛星編號。由五位數組成，U代表不保密,C 秘密,S 絕密。

07003 A 國際衛星編號。前兩位是發射年份,后面是在這一年的發射序號，A為組件編號。

07040.19663950 TLE 歷時，用UTC(世界協調時）表示這組軌道數據所在的時間,從這個時間我們可推算下載的兩行參數是哪一天的,還可不可用。07年第40日，后面是時刻。

.00006017 平均運動一階導數。

41741-6 平 均運動二階導數（小數）。41741-6是0.41741*10^-6

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

0 軌道形式。

133 振子數。

第二行

30323 衛星編號。

025.0191 軌道傾角I。

007.6076 軌道上升點赤經（縱上升角Ω）。

7597678 軌道偏心率e（小數）。0.7597678大橢圓

183.0685 近地點角距（近地點偏角 ω）。

165.6981 平均近地點角。

01.91889329 每天環繞周數。

126 環繞周數。

2.衛星星歷移動式衛星地面站伺服跟蹤的設計

小型移動式衛星地面站伺服跟蹤測控軟件設計采用多模塊配合工作方式，具體由進程調度模塊、數據轉換模塊、伺服引導模塊及伺服回饋模塊組成。各模塊在任務管理模塊的統一管理調度下，有序進行各項工作，配合完成衛星跟蹤任務。

3.軟件實現

圖1 任務調度

3. 1 進程調度

進程調度模塊作為伺服跟蹤測控軟件的核心模塊，對其他軟件模塊的執行進行調度。進程調度模塊由任務的加載、執行及刪除等組成。用戶通過人機交互界面，采用菜單方式自動或人工加載跟蹤任務，如圖1，用于引導天線對衛星的跟蹤處理。

在軟件的具體實現過程中，欲設置的單個任務提示起始日期、起始時間、終止日期、終止時間，如果當前時間達到起始時間則進程啟動，并控制伺服引導天線跟蹤衛星。

3. 2 數據轉換

任務設置時，提供的是衛星軌道參數信息，輸出要求為地面站天線的地面慣性坐標系。所以需要將參數由地理坐標轉換為地面慣性坐標。該功能由數據轉換模塊完成，它先將解算指定時間的衛星軌道參數信息，得到衛星地理坐標，再結合GPS獲取的站址位置，得到衛星相對于伺服天線的地面慣性坐標，結合時間，就可得到該時刻伺服引導數據。此時的數據時間精確度為秒。

地理坐標到地面慣性坐標系轉換方法采用保角的圓錐投影如圖2所示，經驗證精度能精確到小數點后第3位。

圖2 保角的圓錐投影示

設投影點經緯度分別為long、lat，地面慣性坐標系原點P經緯度為long1、lat1，投影點在地面慣性坐標系中坐標為（x,y），計算公式如下：

3. 3 伺服引導

解算出的衛星位置信息是以秒為間隔的，為使天線運行平滑，還需對數據進行平滑處理。即將兩秒之間的位置進行50等份細化，每20毫秒發出一份當前時刻的位置信息，即可避免跟蹤時天線將要出現的頓挫現象。另外在天線過頂時也需作處理，以保障跟蹤的穩定性。

3. 4 伺服回饋

在伺服引導過程中，能夠實時采集和顯示伺服回饋的跟蹤數據。并與控制數據按時間進行記錄，便于事后查詢，并能實時通過采用誤差曲線的方式。進行圖表、曲線的繪制，便于對天線誤差的觀察分析。

4.結論

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

本跟蹤軟件實現了對衛星的跟蹤測控，以有限資源完成了伺服跟蹤的諸多功能。通過實際應用，運行效果良好。因采用模塊化的設計，軟件具備良好的復用性和擴展性。

[1] 王秉鈞,王少勇,田寶玉,等. 現代衛星通信系統[M]. 北京:電子工業出版社, 2004.

[2] 馬瑞峰,郭陳江. 基于遙感衛星地面站伺服控制系統的研究[J]. 計算機測量與控制, 2005,13(7）:688～690.

[3] 任萱.人造地球衛星軌道力學[M] . 長沙:國防科技大學出版社,1988.

[4] 劉林. 航天器軌道理論[M] . 北京:國防工業出版社,2000.

[5] 李天文. GPS 原理及應用[M] . 北京:科學出版社,2003.

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，現就職于中國電子科技集團第38研究所。主要從事雷達數據分析，目標分辨與識別、數字圖形圖像處理等方面工作。