卫星TLE数据和卫星轨道的概念和计算方法

科普文,了解一下卫星轨道、两行数据等入轨参数和轨道参数:
1,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,参见下图。

卫星轨道6要素

卫星轨道 参数和计算示意图

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,定义是椭圆两焦点间的距离与长轴长度的比值。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。

2,TLE(Two-Line Element) 两行数据

用北斗2A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 S;
0 校验位;

看了这篇文章,深空网估计您对卫星发射的入轨参数应该有了一定的了解。

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