卫星轨道和TLE数据

卫星轨道和TLE数据转自虚幻天空最近由于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。前面关于轨道一局部写得较早，后来发现和杂志上关于我国反卫的一篇文章里的相应局部类似。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〔比方地球的形状，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。为了唯一确实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：a。轨道半长轴，是椭圆长轴的一半。对于圆，也就是半径。轨道偏心率，也就是椭圆两焦点的距离和长轴比值。对于圆，它就是百度文库-让每个人平等地提升自我PAGE\*MERGEFORMAT#这两个要素决定了轨道的形状。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。。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。。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。而这个值那么确定了轨道在轨道平面里的位置。。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，比方轨道周期。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。比方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拟自然的一组。下面讲讲TLE〔Two-LineElement〕两行数据。以北斗最近的数据为例BEIDOU2A30323U07003A07067。。0006918113771-544016-2058730323759421601。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ObjectA，B，C。。。慢慢的会搞清楚哪个是卫星，哪个是末级火箭，哪个是别离时的碎片，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，那么这个卫星名字就纯粹是美国的猜想了，比方我们的这个北斗。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130323U07003A07067。。0006918113771-544016-2058730323U30323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，否那么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那么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。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。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。百度文库-让每个人平等地提升自我PAGE\*MERGEFORMAT#44016-2BSTAR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TLE7最后一位是校验位TLE第二行数据230323759421601。65030323NORAD卫星编号。轨道倾角。这个和前面讲的轨道倾角完全对应升交点赤经，这个和前面讲的升交点赤经也完全对应7594216轨道偏心率，，表示这是一个椭圆近地点幅角，这个和前面讲的也一样平近点角。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。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〕之间的关系可用以下公式计算：R=〔GM-TA2/4nA2A〔1/3〕其中，GM==10A12，代人各常数后计算得知，R=xTA2/3地球自转周期为秒，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卫星每天绕地球运转圈，周期为地球自转周期的八分之一圈，周期为地球自转周期的六分之一3小时〕4小时〕，轨道半长轴为，轨道半长轴为卫星每天绕地球运转圈，周期为地球自转周期的四分之一6小时〕，轨道半长轴为卫星每天绕地球运转圈，周期为地球自转周期的三分之一8小时〕，轨道半长轴为10541。043公里。12769。564公里。16732。862公里。20270。419公里。百度文库-让每个人平等地提升自我PAGE\*MERGEFORMAT#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))A0。5G：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)Fh:轨道高度R：中心天体半径远、近拱点特殊情况：va=(GM(hp+R)/(ha+R)/a)Avp=(GM(ha+R)/(hp+R)/a)Ava：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：200kmLEO:h=200km百度文库-让每个人平等地提升自我PAGE\*MERGEFORMAT#v=7785m/s800kmSSO：h=800kmv=7452m/sGEO：h=35786kmv=3075m/s100km月球圆轨道:h=100kmM=x10a22kgR=1738kmv=1633m/s标准GTO：ha=35786kmhp=200kmva=1598m/svp=10240m/s某种地月转移轨道：ha=380000kmhp=200kmvp=10917m/s