典型衛(wèi)星追蹤軟件科學(xué)普及

王 孟，林自豪

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心烏魯木齊監(jiān)測(cè)站，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

2021年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要（2021-2035年）》，明確指出要建立完善的科技資料科普化機(jī)制，不斷增強(qiáng)科技創(chuàng)新主體科普責(zé)任意識(shí)。衛(wèi)星航天技術(shù)作為我國(guó)攀登科技高峰、造福人類(lèi)的重要項(xiàng)目，向全民科普是勢(shì)在必行，至關(guān)重要。為響應(yīng)黨中央和國(guó)務(wù)院關(guān)于科普和全民科學(xué)素質(zhì)建設(shè)的重要部署，本文以業(yè)余衛(wèi)星為載體，分析近十年用于業(yè)余衛(wèi)星的相關(guān)軟件，向廣大愛(ài)好者普及相關(guān)軟件的操作使用。用于業(yè)余衛(wèi)星通信的軟件主要分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是對(duì)星軟件和天線控制軟件，對(duì)星軟件主要功能是計(jì)算、預(yù)測(cè)、描繪衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星位置、衛(wèi)星速度及衛(wèi)星追蹤等相關(guān)信息，這些軟件基于衛(wèi)星星歷并從其中獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，如

Orbit ron， PreviSat， Gpredict， SATPC32， ODTK（Orbit Determination Tool Kit） 等，大多軟件免費(fèi)且很方便下載，部分軟件需要付費(fèi)如SATPC32；天線旋轉(zhuǎn)器控制軟件主要功能是調(diào)節(jié)天線方位和俯仰角精確跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，常見(jiàn)的軟件如PstRotator等。另一類(lèi)是軟件定義無(wú)線電（Software Defined Radio， SDR），主要是用來(lái)控制接收機(jī)、硬件設(shè)備、信號(hào)處理及天線，目的是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析和識(shí)別。

1 Orbitron衛(wèi)星追蹤軟件

該軟件是一款功能豐富的衛(wèi)星跟蹤工具，可以幫助用戶在電腦上查看世界上的衛(wèi)星，如查看太陽(yáng)、月球、衛(wèi)星名稱(chēng)、地面軌跡、覆蓋區(qū)、邊界線等信息，使用戶及時(shí)了解每顆衛(wèi)星的具體工作范圍[1]。它支持多種語(yǔ)言翻譯，可在軟件中選擇自己國(guó)家的語(yǔ)言使用。觀看衛(wèi)星時(shí)，可以將對(duì)應(yīng)的地圖顯示出來(lái)，支持查看世界地圖、雷達(dá)幕，顯示衛(wèi)星的起點(diǎn)位置以及軌道的信息，支持查看衛(wèi)星的方位角、仰角，對(duì)于喜歡研究天文學(xué)的愛(ài)好者也非常適用。

Orbit ron衛(wèi)星觀察器軟件功能強(qiáng)大，很多專(zhuān)業(yè)的氣象專(zhuān)家、空間通信領(lǐng)域的部門(mén)、業(yè)余衛(wèi)星愛(ài)好者們都將其作為首選。并且它是免費(fèi)的，且有中文版，不需要安裝，直接打開(kāi)客戶端后，就可以進(jìn)入主界面，同時(shí)界面操作簡(jiǎn)單，外觀清晰明了（見(jiàn)圖1）。

圖1 Orbitron主界面

進(jìn)入設(shè)定界面，可以根據(jù)自己需要和愛(ài)好，設(shè)定相應(yīng)參數(shù)（見(jiàn)圖2）。

圖2 界面設(shè)定

設(shè)定觀察者的位置有兩種方法：一是在地圖上找到具體位置直接點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵，選“設(shè)為觀測(cè)點(diǎn)”即可；另一種點(diǎn)擊菜單欄下面的地名，然后輸入位置經(jīng)緯度和名稱(chēng)。

注意預(yù)測(cè)之前一定要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。主要設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到衛(wèi)星的最小仰角，設(shè)定完畢后，點(diǎn)擊預(yù)測(cè)，就可以將所有過(guò)境的衛(wèi)星且滿足仰角要求的衛(wèi)星顯示出來(lái)（見(jiàn)圖3）。

圖3 滿足設(shè)定條件的衛(wèi)星

2 PreviSat衛(wèi)星跟蹤軟件

PreviSat使用也非常簡(jiǎn)單，可以在世界地圖或天空地圖上顯示人造衛(wèi)星，也可以在多個(gè)坐標(biāo)系（包括笛卡爾地心、赤道地心、水平系）中了解人造衛(wèi)星的位置，其簡(jiǎn)單直觀的界面旨在滿足新手和愛(ài)好者的需求。下面對(duì)該軟件的特點(diǎn)進(jìn)行描述[2]：

（1）它具有2種操作模式：實(shí)時(shí)模式和手動(dòng)模式，可以實(shí)時(shí)或手動(dòng)了解衛(wèi)星（瞬時(shí)振蕩元素）的軌道特性，還提供有關(guān)衛(wèi)星本身的信息（如尺寸，最大幅度等）。

（2）可以對(duì)Wall Command Center可視化，并顯示來(lái)自ISS的實(shí)時(shí)視頻流。

（3）可計(jì)算給定觀測(cè)位置的衛(wèi)星過(guò)境預(yù)報(bào)，并且可以設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如衛(wèi)星的最小高度、太陽(yáng)的高度等。

（4）使用兩個(gè)工具來(lái)管理兩行式軌道數(shù)據(jù)（TLE文件）。第一個(gè)允許更新軌道參數(shù)（PreviSat 能夠管理gz格式的壓縮文件），第二個(gè)工具允許根據(jù)軌道參數(shù)值從另一個(gè)TLE文件創(chuàng)建個(gè)人TLE文件。例如，使所有衛(wèi)星具有較低的偏心率。

圖4 是PreviSat主界面，在左上側(cè)可以看到2D 圖，左下側(cè)為參數(shù)設(shè)置、軟件功能模塊，右上側(cè)為模式選擇，右側(cè)中間為星歷文件的選擇，右下側(cè)為雷達(dá)圖，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)到過(guò)境衛(wèi)星時(shí)，雷達(dá)圖可顯示出相應(yīng)的衛(wèi)星俯仰角、方位角等信息。

圖4 PreviSat主界面

如選擇所需監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置、最小仰角、監(jiān)測(cè)時(shí)間等參數(shù)設(shè)置完后，點(diǎn)擊RUN，然后顯示出預(yù)測(cè)結(jié)果（見(jiàn)圖5）。

圖5 預(yù)測(cè)結(jié)果顯示

監(jiān)測(cè)地點(diǎn)位置的添加，點(diǎn)擊主界面中的Option， 在Category selection中添加國(guó)別，然后在Locations in the category添加監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位置，輸入經(jīng)緯度及監(jiān)測(cè)點(diǎn)地名。

主界面中的TOOL和TLE update主要用于衛(wèi)星兩行式軌道數(shù)據(jù)的自動(dòng)更新，可選擇更新的衛(wèi)星種類(lèi)的，然后點(diǎn)擊Update now即可完成衛(wèi)星TLE數(shù)據(jù)的更新，可以獲取最新衛(wèi)星星歷信息。

3 Gpredict衛(wèi)星追蹤軟件

Gpredict是一個(gè)實(shí)時(shí)衛(wèi)星跟蹤和軌道預(yù)報(bào)軟件，它可以跟蹤無(wú)限量的衛(wèi)星，并以列表、表格、地圖和雷達(dá)等方式顯示它們的位置及相關(guān)數(shù)據(jù)，還可以預(yù)測(cè)衛(wèi)星未來(lái)的軌跡，并提供詳細(xì)資料。它最大的優(yōu)勢(shì)是可視化模塊，每個(gè)模塊均可獨(dú)立配置，帶來(lái)無(wú)限的靈活性。Gpredict衛(wèi)星追蹤軟件主要特點(diǎn)和功能如下[3]：可使用北美防空司令部SGP4/SDP4 算法快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星；衛(wèi)星或地面站無(wú)數(shù)量限制；可以用圖、表和模塊視覺(jué)化展示衛(wèi)星數(shù)據(jù)；自動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)天線追蹤衛(wèi)星信號(hào)；高效和詳細(xì)的預(yù)測(cè)，用戶可根據(jù)自己的需求設(shè)置參數(shù)和具體條件，可進(jìn)行一般化或?qū)I(yè)化的預(yù)測(cè)；可以快速預(yù)測(cè)衛(wèi)星未來(lái)的軌跡；可為高級(jí)用戶定制軟件的外觀顯示；通過(guò)從網(wǎng)絡(luò)上的HTTP， FTP等，或從本地文件自動(dòng)更新衛(wèi)星兩行式軌道數(shù)據(jù)；支持多個(gè)平臺(tái)，包括Linux，BSD， Windows和Mac OS X操作系統(tǒng)。

圖6 的軟件主界面主要分為三部分：上側(cè)為衛(wèi)星運(yùn)行軌跡，左下側(cè)為過(guò)境衛(wèi)星雷達(dá)顯示，右下側(cè)為過(guò)境衛(wèi)星的詳細(xì)信息。該軟件可直接連接Internet 對(duì)兩行軌道數(shù)據(jù)（TLE）參數(shù)進(jìn)行更新，也可手動(dòng)載入更新，但需要提前將TLE參數(shù)下載到本地計(jì)算機(jī)。圖7為設(shè)置天線控制器的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向，設(shè)置完畢后可以根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行跟蹤接收衛(wèi)星信號(hào)。

圖6 Gpredict主界面

圖7 天線旋轉(zhuǎn)控制

如果選擇業(yè)余衛(wèi)星進(jìn)行追蹤，在追蹤前要設(shè)定目標(biāo)衛(wèi)星的下行信號(hào)頻率，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行追蹤，同時(shí)還可以看到監(jiān)測(cè)點(diǎn)到衛(wèi)星的距離，信號(hào)的多普勒頻移、衛(wèi)星移動(dòng)速度和俯仰角等相關(guān)參數(shù)。

衛(wèi)星過(guò)境預(yù)測(cè)需要提前設(shè)置最小俯仰角、衛(wèi)星數(shù)量、時(shí)間范圍等參數(shù)，然后可以進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果可在列表中顯示（見(jiàn)圖8）[4]，大家根據(jù)自己的要求選擇所要通聯(lián)的衛(wèi)星，進(jìn)行跟蹤通聯(lián)。

圖8 預(yù)測(cè)結(jié)果顯示

4 追星3.3

該款軟件是我國(guó)愛(ài)好者自主研發(fā)的一款非常簡(jiǎn)單的追星軟件，適合安裝在安卓系統(tǒng)的智能手機(jī)上，可以通過(guò)藍(lán)牙控制天線云臺(tái)，便于調(diào)試，使用非常方便。

圖9 為軟件的基本設(shè)置，主要為星歷模式（全部模式和精簡(jiǎn)模式）、軟件模式（跟蹤模式和調(diào)試模式）、預(yù)報(bào)過(guò)境衛(wèi)星的時(shí)長(zhǎng)（2、6、12、24或48 小時(shí)），星歷維護(hù)可以通過(guò)celest rack.com網(wǎng)站或amsat.org進(jìn)行自動(dòng)更新，或者可以手動(dòng)從本地添加相關(guān)衛(wèi)星的兩行式軌道數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)地址只需輸入精確的經(jīng)緯度和海拔高度即可[5]。

圖9 軟件的基本設(shè)置

圖10 衛(wèi)星跟蹤

星歷預(yù)報(bào)可以預(yù)測(cè)48小時(shí)內(nèi)過(guò)境衛(wèi)星的具體時(shí)間、俯仰和方位的基本參數(shù)。衛(wèi)星跟蹤功能主要使天線準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，移動(dòng)天線確保目標(biāo)衛(wèi)星始終在圖10中的紅圈，這樣就可接收衛(wèi)星信號(hào)并與衛(wèi)星通聯(lián)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上四個(gè)較為典型的衛(wèi)星追蹤相關(guān)軟件的介紹，大家可以初步了解軟件的功能、操作方法，如果想更深入地學(xué)習(xí)和掌握，可以下載文中提到的軟件，按照操作流程和步驟進(jìn)行衛(wèi)星追蹤，不僅可以獲得樂(lè)趣，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用有更深入的認(rèn)識(shí)，更為《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要（2021- 2035年）》的推廣和落地提供支撐，讓衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步深入民眾，助力衛(wèi)星技術(shù)科學(xué)的普及。