卫星轨道和两行数据TLE

最近由于Sino-2和北斗的关系,很多网友贴了表示卫星运行轨道的TLE数据。这里想对卫星轨道参数和TLE的格式做一个简单介绍。虽然实际上没有人直接读TLE数据,而都是借助软件来获得卫星轨道和位置信息,但是希望这些介绍可以对于理解卫星轨道的概念有所帮助。由于匆匆写成,可能有一些错误,如果看到还请指出。 
前面关于轨道一部分写得较早,后来发现和杂志上关于我国反卫的一篇文章里的相应部分类似。估计都参考类似的资料,这个东西本身也是成熟的理论了。
首先来看一下卫星轨道。太空中的卫星在地球引力等各种力的作用下做周期运动,一阶近似就是一个开普勒椭圆轨道。由于其他力的存在(比如地球的形状,大气阻力,其他星球的引力等等),实际的轨道和理想的开普勒轨道有偏离,这个在航天里称为“轨道摄动”。这里我们暂时不看摄动,就先说说理想开普勒轨道时的情况。
为了唯一的确定一个卫星的运行轨道,我们需要6个参数,参见下面的示意图:

1. 轨道半长轴,是椭圆长轴的一半。对于圆,也就是半径 
2. 轨道偏心率,也就是椭圆两焦点的距离和长轴比值。对于圆,它就是0.
这两个要素决定了轨道的形状 
3. 轨道倾角,这个是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,倾角就是0。
4. 升交点赤经:卫星从南半球运行到北半球时穿过赤道的那一点叫升交点。这个点和春分点对于地心的张角称为升交点赤经。
这两个量决定了卫星轨道平面在空间的位置。 
5. 近地点幅角:这是近地点和升交点对地心的张角。
前面虽然决定了轨道平面在空间的位置,但是轨道本身在轨道平面里还可以转动。而这个值则确定了轨道在轨道平面里的位置。
6. 过近地点时刻,这个的意义很显然了。卫星位置随时间的变化需要一个初值。
有一点要指出的是,上面的6个参数并不是唯一的一组可以描述卫星轨道情况的参数,完全也可以选取其他参数,比如轨道周期。但是由于完备的描述也只需要6个参数,所以他们之间存在着固定的换算关系。比如轨道周期就可以由半长轴唯一来确定(这在下面讲TLE的时候也会涉及到),反之亦然。上面选取的这组是比较自然的一组。
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
下面讲讲TLE(Two-Line Element)两行数据。以北斗最近的数据为例
BEIDOU 2A
1 30323U 07003A  07067.68277059  .00069181  13771-5  44016-2 0  587
2 30323 025.0330 358.9828 7594216 197.8808 102.7839 01.92847527  650 
真正的数据实际上是下面2行,但是上面有一行关于空间物体其他情况的一些信息(空间物体可以是卫星,可以是末级火箭,可以是碎片。这里简单起见,就叫卫星)。头一个是卫星名称。注意这个是会变的,而且不一定准确。卫星发射后的头几个TLE数据里,往往只叫Object A, B, C... 慢慢的会搞清楚哪个是卫星,哪个是末级火箭,哪个是分离时的碎片,并且给予相应的名称。但是如果这个是其他国家的保密卫星,则这个卫星名字就纯粹是美国的猜测了,比如我们的这个北斗。有些情况下,名称这一行里还包含了一些数字,关于卫星的尺度,亮度等等。
TLE第一行数据
1 30323U 07003A  07067.68277059  .00069181  13771-5  44016-2 0  587
30323U    30323是北美防空司令部(NORAD)给出的卫星编号。U代表不保密。我们看到的都是U,否则我们就不会看到这组TLE了  
07003A  国际编号,07表示2007年(2位数字表示年份在50年以后会出问题,因为1957年人类发射了第一个轨道物体),003表示是这一年的第3次发射。A则表示是这次发射里编号为A的物体,其他还有B,C,D等等。国际编号就是2007-003A.  
07067.68277059  这个表示这组轨道数据的时间点。07还是2007年,067表示第67天,也就是3月8日。
68277059表示这一天里的时刻,大约是16时22分左右。
.000069181  平均运动的对时间一阶导数除2。注意这个并不是瞬时角速度
13771-5  平均运动对时间的二阶导数除6。  
44016-2    BSTAR阻力系数。这3个量都是用于轨道摄动模型里面的。其实上前2个并没有真正被采用。
0  轨道模型。他们内部有不同数字代表不同模型,但是公布的都是0,也就是采用了SGP4/SDP4轨道模型   
58  表示这是关于这个空间物体的第58组TLE
7 最后一位是校验位 
TLE第二行数据 
2 30323 025.0330 358.9828 7594216 197.8808 102.7839 01.92847527  650
30323  NORAD卫星编号。
025.0191  轨道倾角。这个和前面讲的轨道倾角完全对应  
358.9828  升交点赤经,这个和前面讲的升交点赤经也完全对应
7594216  轨道偏心率,0.7597678,表示这是一个椭圆
197.8808    近地点幅角,这个和前面讲的也一样
102.7839    平近点角。这个表示这组TLE对应的时刻时,卫星在轨道的什么位置,具体细节有点复杂,就不赘述了。这个和前面讲的“过近地点时刻”可以互相推导。
01.92847527  每天环绕地球的圈数。这个的倒数就是周期。可以看出北斗目前的周期大约是12小时。 而周期和轨道的半长轴有简单的换算关系。因此TLE的关于轨道的6要素和我们前面说的6要素是完全可以互相推导的。
65  发射以来飞行的圈数
0    校验位

以上为shh原创。 --darklighter

轨道周期和半长轴的换算

人造地球卫星运转周期T(秒)与圆轨道半径或椭圆轨道半长轴R(米)之间的关系可用下列公式计算:
R=(GM·T^2/4π^2)^(1/3)
其中,GM=398.60047×10^12,
代入各常数后计算得知,R=21613.546×T^2/3
已知地球自转周期为86164.09053秒,
卫星每天绕地球运转16圈,周期为地球自转周期的十六分之一(约1.5小时),轨道半长轴为6640.441公里。该轨道适用于近地侦察卫星。
卫星每天绕地球运转12圈,周期为地球自转周期的十二分之一(约2小时),轨道半长轴为8044.321公里。
卫星每天绕地球运转8圈,周期为地球自转周期的八分之一(约3小时),轨道半长轴为10541.043公里。
卫星每天绕地球运转6圈,周期为地球自转周期的六分之一(约4小时),轨道半长轴为12769.564公里。
卫星每天绕地球运转4圈,周期为地球自转周期的四分之一(约6小时),轨道半长轴为16732.862公里。
卫星每天绕地球运转3圈,周期为地球自转周期的三分之一(约8小时),轨道半长轴为20270.419公里。
卫星每天绕地球运转2圈,周期为地球自转周期的二分之一(约12小时),轨道半长轴为26561.763公里。该轨道适合全球定位系统。
卫星每天绕地球运转1圈,周期与地球自转周期相同,地球同步轨道半径为42164.171公里,位于赤道(半径6378.140公里)上空35786.031公里处。该轨道适合通讯卫星。

实际工作中人造地球卫星轨道测算与确定是非常复杂的,要考虑到许多因素,用高等数学才能解决。以上只是用初等数学简单推算,实在是班门弄斧,权当科普吧。

以下是darklighter的补充:

轨道速度的计算

椭圆轨道速度公式:
v = (GM(2/r - 1/a))^0.5
G:万有引力常数
M:中心天体质量
r:卫星与中心天体质心的距离
a:半长轴

圆轨道特殊情况:
v = (GM/(h + R))^0.5
h:轨道高度
R:中心天体半径

远、近拱点特殊情况:
va = (GM(ha + R)/(hp + R)/a)^0.5
vp = (GM(hp + R)/(ha + R)/a)^0.5
va:远拱点速度
vp:近拱点速度
ha:远拱点高度
hp:近拱点高度

实例:
200 km LEO:
h = 200 km
v = 7785 m/s

800 km SSO:
h = 800 km
v = 7452 m/s

GEO:
h = 35786 km
v = 3075 m/s

100 km月球圆轨道:
h = 100 km
M = 7.3477 x 10^22 kg
R = 1738 km
v = 1633 m/s

标准GTO:
ha = 35786 km
hp = 200 km
va = 1598 m/s
vp = 10240 m/s

某种地月转移轨道:
ha = 380000 km
hp = 200 km
vp = 10917 m/s

参考文献:

1、轨道要素(http://baike.baidu.com/link?url=87mNHh7IDMNN7v1wjDWk-BN5r8MjjFuUK7vbKN_1jxAwocT1Jpwp75ukdp0zvx9NIudHxBuL_OadWSgUa-bO0K)

2、TLE数据和卫星轨道的概念和计算方法(http://www.shenkong.net/Explore/1207/TLESJHWXGDDGNHJSFF09081535.htm)

3、TBUS,AGROS和TLE轨道报(http://blog.sina.com.cn/s/blog_764f855d0100rgw1.html)

4、[科普]TLE卫星轨道参数详解,及近地点计算(http://lt.cjdby.net/thread-332217-1-1.html)

时间: 2024-08-07 21:17:57

卫星轨道和两行数据TLE的相关文章

利用TLE数据确定卫星轨道

1.卫星轨道 太空中卫星和天体在各种引力的作用下都在一定的轨道中周期转动着,但实际的轨道是很复杂的,一般的项目也达不到那么精确的需求(其实精确的卫星参数数据也不可能随便公开的),所以采用一阶近似的开普勒椭圆轨道即可.确定一个开普勒椭圆轨道需要一些基本要素,要素的组合形式有多种,但不同形式的各组之间都有简单的换算关系.常用的是开普勒六要素,有明显的几何意义. 1. 轨道半长轴,是椭圆长轴的一半.对于圆,也就是半径,另外根据开普勒第三定律,半长轴与运行周期之间有确定的换算关系. 2. 轨道偏心率,椭

利用TLE数据确定卫星轨道(2)-SGP4模型实现

1.TLE轨道报: 接上一篇,TLE轨道报各项内容所代表的意义如下: 2.SGP4模型: TLE轨道报计算卫星轨道需要用到 NORAD 开 发 的 SGP4/SDP4 模 型 ,SGP4模型是由 Ken Cranford在1970年开发 的,用于近地卫星,该模型是对 Lane和 Cranford (1969 年 )广 泛 解 析 理 论 的 简 化 ,这 些 模 型 需 考 虑 到 地 球 非球形引力.日月引力.太阳辐射压及大气阻力等摄 动 力 的 影 响 .SGP4(Simplified Ge

excel比较每两行数据是否一样

excel比较每两行数据是否一样 Sub 宏1() For x = 2 To ActiveSheet.UsedRange.Rows.Count Step 2 For y = 2 To ActiveSheet.UsedRange.Columns.Count If Cells(x, y) <> Cells(x + 1, y) Then Range(Cells(x, y), Cells(x + 1, y)).Interior.ColorIndex = 6 End If Next Next End S

pandas-同时处理两行数据

pandas-同时处理两行数据 假设数据集data如下所示: 如果我们想要将user_id 和 item_id两列进行对应元素相加的操作,该怎么办呢? 显然我们先定义一个加法函数,然后使用apply函数: 给个例子: 1 def sum(x,y): 2 return x+y 3 4 def sum_cv(data): 5 data['user_item']=data.apply(lambda row:sum(row['user_id'], 6 row['item_id']),axis = 1)

在excel表中增加杂项报支费用、工程备件领料费用两行数据,要求按月份分别展示

SQL语句为: select substr(a.paydate,1,6) as paydate,sum(a.materialamt) as amt from (select * from db.tbcimt3 where APPID='INJJ47' AND CIMP1NO='18SJ6203' and PAYKIND='F' ) a group by substr(a.paydate,1,6) order by substr(a.paydate,1,6) 这条SQL查询出来的数据用map数组接

(MYSQL学习笔记3)mysql两行数据合并成一行

使用SUM函数,加上GROUP BY人员ID就可以实现了: SELECT SUM(PZ+CPJS+BZ+GC+SB+TG+MJ+CL+CCLW+GJ+ZL+CBZZ) as count,     SUM(PZ) as PZ,SUM(CPJS) as CPJS,SUM(BZ) as BZ,SUM(GC) as GC,SUM(SB) as SB,SUM(TG) as TG,SUM(MJ) as MJ,SUM(CL) as CL,SUM(CCLW) as CCLW,SUM(GJ) as GJ,SUM(

VBA 对比两行数据

Sub DB_Row() Dim i, j As Integer Dim row1, row2 As Integer row1 = 3 ' 对比第 3 行 row2 = 4 ' 和第 4 行 For i = 1 To 256 For j = 1 To 256 If Cells(row1, i).Value = Cells(row2, j).Value Then If Cells(row2, j).Interior.ColorIndex <> 36 Then Cells(row1, i).Int

MeteoInfoLab脚本示例:TRMM 2A12 HDF数据

TRMM 2A12 HDF数据是卫星观测的SWATH数据(轨道数据),比格点数据处理起来要麻烦一些.数据的经纬度保存在geolocation变量中,需要先将经纬度数据读出来(均为2维数组),然后读取云水含量数据(cldWater).虽然都是2维数组,但并不是格点数据,相当于2维的散点数据,点数相当多(3019*208)如果用散点图来绘制的话会非常的慢,需要将其插值为格点数据.插值方法建议选择nearest,该方法速度最快.插值后的格点数据用imshowm函数显示为图像就很快了. 脚本程序: #A

Satellite-Hacking 攻击卫星/卫星安全

虽说卫星安全这种东西也是高富帅才玩得起的领域,但是了解了解总是没坏处.参考了一些资料,如果想详细了解可以戳进去看看.看了这么多资料,总结一下吧. Why? 卫星存在安全问题主要有一下俩原因,首先是成本考量,其次是地空科技差距. 成本考量,商业公司肯定想节省成本,如果加密卫星通信不仅增加成本而且限制了卫星可用性,所以大多数商业卫星与地面的通信是不加密的.也就是说你只要手上有设备,调对了频段,这些信息对你来说你公开的- -|| 地空科技差距,卫星在太空起码得运作个几十年,这几十年里地面的科技水平肯定