卫星地面站|天线如何精准追踪卫星

  卫星在太空中飞行时，需要地面接收站不断调整天线的方向来跟踪它们。你可能会好奇，地面站是如何知道卫星在天空中的确切位置的？

  答案就在于两行轨道数据（TLE，Two-Line Element）。

什么是TLE？

  TLE，全称为Two Line Elements，是描述卫星轨道的一种标准格式，用两行数据表示卫星的轨道信息。

  它由NORAD（北美空防司令部）制定，用以描述地球轨道上人造卫星的位置和速度等信息，可以在CelesTrak网站（https://celestrak.org/） 上找到。

  CelesTrak是一个重要的公益网站，专门提供最新的TLE数据，支持全球范围内的卫星跟踪和研究。每颗卫星都有一个独特的TLE，通过访问CelesTrak，用户可以获取这些关键数据以进行精确的轨道计算和卫星监测。

  比如，在卫星发射前，可以用于更新卫星的轨道参数，保障卫星能够进入预定轨道；在卫星运行期间，可以用于更新卫星的位置、速度等信息，保障卫星能够运行和定位。此外，还可以用于轨道预报，预测卫星未来的运行轨迹和位置，为卫星控制和管理提供重要数据支持。

CelesTrak网站首页

TLE数据解读

  TLE由两行数字组成，分别表示卫星的轨道倾角、升交点赤经、近地点角距、平均运动速度等参数。

  以Landsat 8卫星为例，TLE数据如下：

• 行号（1）：表示这是第一行数据。

• 卫星编号（39084）：每颗卫星都有一个唯一的编号，用于标识。

• 国际标识符（U）：表示卫星的分类。U表示未分类。

• 发射年和发射序号（13008A）：13表示卫星发射年份（2013年），008表示发射序号，A表示发射批次标识。

• 时间戳（24199.21380025）：表示TLE数据的时间，24是年份后两位数，199是日期（第199天），.21380025是当天的时间（一年中的第几天，用十进制数表示，小数表示天中的时间段）。

• 轨道变化率（.00000792）：表示卫星轨道的变化速率（以每圈变化量为单位）。

• 轨道拖曳系数（00000＋0）：表示卫星轨道的拖曳效应。

• 星际系数（18595-3）：描述了卫星在轨道中的干扰因素，这里的数值表示该影响很小。

• 数据质量标志（0）：标志数据的质量，0表示默认值。

• 检查位（9990）：用于校验数据的正确性

  

• 行号（2）：表示这是第二行数据。

• 卫星编号（39084）：与第一行相同，用于标识卫星。

• 轨道倾角（98.2278）：卫星轨道与地球赤道平面的夹角，以度为单位（0-90度表示顺行轨道(北极看是逆时针)，90-100度表示逆行轨道）。

• 升交点赤经（268.4577）：指卫星由南到北穿过地球赤道平面时，与地球赤道平面的交角，以度为单位。

• 轨道偏心率（0001098）：卫星椭圆轨道面中心点到地球球心点的距离除以卫星轨道半长轴，描述卫星轨道的椭圆度。

• 近地点参数（107.8257）：卫星在轨道上最接近地球的位置的角度，以度为单位。

• 平均异常（252.3062）：卫星在其轨道上的位置角度，以度为单位。

• 平均运动（14.57090705607785）：卫星每天绕地球的圈数，14.57090705607785表示每天约绕地球14.57圈。

轨道要素的空间关系

TLE参数的动态更新

  TLE参数不是固定不变的。卫星轨道会受到以下因素的影响：

  地球引力变化：地球引力场并不均匀，会导致卫星轨道发生变化。

  大气阻力：在低轨道上，卫星受到大气的阻力，导致轨道逐渐衰减。

  太阳辐射压力：太阳的辐射施加微弱的推动力，影响卫星轨道。

  月球和其他天体的引力：这些引力也会对卫星轨道产生影响。

  由于这些因素，卫星轨道会不断变化，因此需要定期更新TLE数据，以确保预测的准确性。

TLE参数的动态更新

  数据收集：通过地面雷达和空间跟踪系统收集卫星的实际位置数据。

  数据处理：将收集到的数据输入轨道计算模型（如SGP4），更新卫星轨道参数。

  数据发布：将更新后的TLE数据发布到公开数据库和服务网站，如CelesTrak，供用户获取最新的轨道信息。

如何使用TLE计算卫星轨道？

  使用SGP4（Simplified General Perturbations Model 4）算法，将TLE数据输入，并计算卫星在特定时间的精确位置和速度。

  通过SGP4算法，获得卫星在三维空间中的位置（X、Y、Z坐标）和速度（Vx、Vy、Vz），这些数据对于卫星的跟踪和监测非常重要。

Landsat8的轨迹图（实验室卫星数据接收平台显示）

  精准计算卫星轨道和及时更新TLE数据是确保卫星数据准确性的关键步骤。而地面站的天线则需要根据卫星的实时位置进行调整，以确保能够稳定地接收到卫星信号。这些过程相辅相成，共同保障了我们能够高效地利用卫星提供的信息。

参考资料

1. CelesTrak网站（https://celestrak.org/）

2. 独特视角 | 您还在使用TLE数据吗？ 开运联合

3. 两行轨道数据(Two-line element)，martrix