基于两行轨道参数的卫星跟踪应用_丁建林

图2 保角的圆锥投影示 设投影点经纬度分别为long、lat，地面惯性坐标系原点P经 纬度为long1、lat1，投影点在地面惯性坐标系中坐标为（x,y）， 计算公式如下：
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(电脑可控跌落式冲击机)。当前，国内冲击机建设主要是冲击机数 量过少，国内大约有二十多台轻量级冲击机。国内仅有3台中量级 冲击机可以按照国军标的规定对中量级舰船装备进行冲击考核。至 今，国内这些少量的中量级冲击机和一定数量的轻量级冲击机主要 用于对新研制的电子设备、仪器、仪表等进行冲击试验考核，没有 海军直接隶属的轻量级及中量级冲击机。
写），空格，点和正负号，除此之外的其他字符都是无效的。
1. 2 两行轨道参数含义
以我国北斗卫星的两行参数为例进行说明。
1 30323U 07003A 07040.19663950 .00006017 41741-6
59696-3 0 133
2 30323 025.0191 007.6076 7597678 183.0685 165.6981
丁建林 华东电子工程研究所，合肥 230088
摘要 本文简要介绍了开普勒三定律以及确定人造地球卫星在空间瞬时位 置的6 个轨道参数;详细描述了由美国Celestrak 发明并创立的卫星星 历即两行轨道数据( two2line orbitalelement) 的格式和含义；并根据卫 星移动式地面站的特点，开发了一种卫星地面伺服跟踪软件。本软 件使用最新的卫星星历,依据两行卫星轨道参数，对伺服系统进行控 制，实现对卫星的实时准确跟踪。 关键词 开普勒三定律;卫星星历;格式;分析;卫星地面站；伺服跟踪软件 中图分类号: TN927 Abstract 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. Key words the three laws of Kepler; satellite ep hemeris;format;analysis; ground station of satellite；servo control software
3. 3 伺服引导 解算出的卫星位置信息是以秒为间隔的，为使天线运行平 滑，还需对数据进行平滑处理。即将两秒之间的位置进行50等份 细化，每20毫秒发出一份当前时刻的位置信息，即可避免跟踪时 天线将要出现的顿挫现象。另外在天线过顶时也需作处理，以保 障跟踪的稳定性。 3. 4 伺服回馈 在伺服引导过程中，能够实时采集和显示伺服回馈的跟踪数 据。并与控制数据按时间进行记录，便于事后查询，并能实时通 过采用误差曲线的方式。进行图表、曲线的绘制，便于对天线误 差的观察分析。 4.结论 卫星星历是测量卫星、跟踪卫星、定位卫星的根本要素。从 卫星星历中,我们可获知卫星的位置并与之进行双向通讯。为了准 确跟踪卫星特别是太阳同步轨道卫星,必须检查每天下载的卫星星 历的TL E 历时,确保它是最新的。 本跟踪软件实现了对卫星的跟踪测控，以有限资源完成了伺
美国的Celest rak 在卫星轨道6 要素的基础上,发明并创立了卫 星星历,又称两行轨道参数( TLE、Two2Line Orbital Element) 或 卫星轨道参数。它以开普勒定律的6 个轨道参数之间的数学关系来 确定卫星的时间、坐标、方位、速度等各项参数,具有极高的精度,主 要用于对人造地球卫星的计算、预测、测量、跟踪、定位、接收等 [4]。北美联合防空司令部(NORAD) 、美国航天司令部(USSC) 以及 美国宇航局(NASA) 都采用了两行轨道数据来计算、预测、跟踪、 定位卫星,在北美联合防空司令部(NORAD) 的网站上提供各种卫星 如资源卫星、气象卫星、GPS 卫星等的卫星星历数据库,并定时更
人造地球卫星绕地心做圆锥曲线运动，其运动基本规律满足开 普勒3 定律，即: 第一定律(轨道定律) :卫星轨道为一椭圆,地球在椭 圆的一个焦点上; 第二定律(面积定律) :卫星在过地球质心的平面内 运动,即卫星的向径(卫星至地球的连线) 在相同的时间内扫过的面积 相等;第三定律(周期定律) :卫星运行周期取决于轨道的半长轴(与半 长轴的二分之三次方成正比) [3] 。根据开普勒3 定律,人造地球卫星 在空间的瞬时位置可由以下6 个轨道参数确定:(1) 轨道半长轴a :轨 道长轴值的一半;(2) 轨道偏心率e :椭圆两焦点的距离和长轴比值,0 < e < 1 ,圆轨道的e = 0 ;(3) 轨道倾角i :轨道平面和地球赤道平面 的夹角,对于位于赤道上空的同步静止卫星来说,倾角为0 ;对极轨卫 星,倾角约为90°;(4) 升交点赤经Ω:卫星从南半球运行到北等: 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叫做升交点, 这个点和春分点对于地心的张角称为升交点赤经;(5) 近地点幅角ω: 这是近地点和升交点对地心的张角;(6) 过近地点时刻z :即卫星通过 近地点的时间。指轨道平面上卫星运动的起量点,为时间的函数,以年 月日时分秒来表示,确定卫星在轨道上的瞬间位置。a 与e 这两个要 素决定了轨道的大小、形状。i 与Ω 这两个量决定了卫星轨道平面 在空间的位置。 1.卫星星历
基础及前沿研究
Fundamental and frontier research
中国科技信息2012年第8期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2012
DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.018
基于两行轨道参数的卫星跟踪应用
服跟踪的诸多功能。通过实际应用，运行效果良好。因采用模块化 的设计，软件具备良好的复用性和扩展性。
参考文献 [1] 王秉钧,王少勇,田宝玉,等. 现代卫星通信系统[M]. 北京:电子工业 出版社, 2004. [2] 马瑞峰,郭陈江. 基于遥感卫星地面站伺服控制系统的研究[J]. 计算 机测量与控制, 2005,13(7):688～690. [3] 任萱.人造地球卫星轨道力学[M] . 长沙:国防科技大学出版社,1988. [4] 刘林. 航天器轨道理论[M] . 北京:国防工业出版社,2000. [5] 李天文. GPS 原理及应用[M] . 北京:科学出版社,2003. 作者简介 丁建林 男，汉族，1965年9月出生于山东禹城，工程师，现就职于中国 电子科技集团第38研究所。主要从事雷达数据分析，目标分辨与识别、 数字图形图像处理等方面工作。
(3)浮动平台试验[6]。我国目前仅有的两台浮动平台是以美国的 浮动平台为原型分别由中国船舶重工集团公司(无锡)第702研究所 及91439部队研制的。该浮动平台是美国小型浮动平台0.8的缩比模 型。702研究所研制的浮动平台受水池客观条件的限制，可用炸药的 最大量为5kgTNT。91439部队研制的浮动平台试验条件为海上无限 自由水面条件，可开展大当量爆炸抗冲击试验。
01.91889329 126
第一行
30323U NORAD卫星编号。由五位数组成，U代表不保
密,C 秘密,S 绝密。
07003A 国际卫星编号。前两位是发射年份,后面是在这一
年的发射序号，A为组件编号。
07040.19663950 TLE 历时，用UTC(世界协调时) 表示这
组轨道数据所在的时间,从这个时间我们可推算下载的两行参数是
可见，国外以大量冲击试验为基础，产生了舰载设备抗冲击标 准、规范，并随着试验手段的更新，舰载设备抗冲击标准得到进一 步发展。我国在舰艇抗冲击研究、试验等方面还存在相当大的差距 和问题。按着国军标要求，建设了部分试验装置，但不配套。目前 没有符合国军标的海上舰载设备试验鉴定浮动平台。 4 结束语
与发达军事强国相比，我国的舰载设备抗冲击试验开展较少， 存在较大差距。对舰载各种设备及系统在冲击机及海上浮动平台上 进行抗冲击试验鉴定，检测舰艇设备抗爆抗冲击战技指标，验证评 估水中目标抗冲击性能，可促进新型舰船远海作战的能力的发挥。
025.0191 轨道倾角I。
007.6076 轨道上升点赤经（纵上升角Ω）。
7597678 轨道偏心率e（小数）。0.7597678大椭圆
183.0685 近地点角距（近地点偏角 ω）。
165.6981 平均近地点角。
01.91889329 每天环绕周数。
126 环绕周数。
2.卫星星历移动式卫星地面站伺服跟踪的设计
新[5]。
1. 1 两行轨道参数格式结构
两行式轨道数据是美国的北美防空联合司令部(NORAD)创立
的用于描述卫星位置和速度的表达式，它由以下几部分组成：
第0行是一个最长24字符的卫星通用名称；第1行和第2行
是标准的两行式轨道数据格式（TLE格式：Two-Line Orbital
Element Set Format），每行69个字符，包括0-9，A-Z（大
哪一天的,还可不可用。07年第40日，后面是时刻。
.00006017 平均运动一阶导数。
41741-6
平均运动二阶导数（小数）。41741-6是
wk.baidu.com
0.41741*10^-6
59696-3
BSTAR阻力系数（小数）。59696-3是
0.59696*10^-3
0 轨道形式。
133 振子数。
第二行
30323 卫星编号。
小型移动式卫星地面站伺服跟踪测控软件设计采用多模块配
合工作方式，具体由进程调度模块、数据转换模块、伺服引导模
块及伺服回馈模块组成。各模块在任务管理模块的统一管理调度
下，有序进行各项工作，配合完成卫星跟踪任务。
3.软件实现
图1 任务调度
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3. 1 进程调度 进程调度模块作为伺服跟踪测控软件的核心模块，对其他软 件模块的执行进行调度。进程调度模块由任务的加载、执行及删 除等组成。用户通过人机交互界面，采用菜单方式自动或人工加 载跟踪任务，如图1，用于引导天线对卫星的跟踪处理。 在软件的具体实现过程中，欲设置的单个任务提示起始日 期、起始时间、终止日期、终止时间，如果当前时间达到起始时 间则进程启动，并控制伺服引导天线跟踪卫星。 3. 2 数据转换 任务设置时，提供的是卫星轨道参数信息，输出要求为地面 站天线的地面惯性坐标系。所以需要将参数由地理坐标转换为地 面惯性坐标。该功能由数据转换模块完成，它先将解算指定时间 的卫星轨道参数信息，得到卫星地理坐标，再结合GPS获取的站 址位置，得到卫星相对于伺服天线的地面惯性坐标，结合时间， 就可得到该时刻伺服引导数据。此时的数据时间精确度为秒。 地理坐标到地面惯性坐标系转换方法采用保角的圆锥投影如 图2所示，经验证精度能精确到小数点后第3位。
引言 卫星作为一类重要国家装备，已在军事、气象、地质、农业、
能源、交通等众多经济和政治领域发挥作用[1]。作为卫星系统的重 要组成部分，地面站的天线伺服系统控制天线对目标的跟踪是系统 重要的一环。与大型地面站的多个计算机组网系统不同，小型移动 式地面站往往只能提供少量计算机来处理信息[2]。如何在资源有限 的前提下完成卫星伺服跟踪的诸多功能，是值得探讨的问题。本文 介绍的卫星伺服跟踪测控软件，利用单块CPCI计算机，基于Visual C++开发而成。它以星载任务管理为核心和驱动，来进行高数据率 的伺服引导，并完成伺服跟踪数据的采集、显示和存储。此外，还 可提供伺服跟踪效果测试。