卫星场景关键概念- MATLAB和Simulink - 卡塔尔世界杯8强比赛直播

卫星场景关键概念

航空航天工具箱提供在轨道上建模和可视化卫星的能力，计算与地面站的访问，可视化和分析通信链路使用satelliteScenario对象。本主题概述了在场景可视化中经常遇到的技术术语。

坐标系统

大地坐标

大地测量系统使用坐标(纬度，朗，h)表示相对于参考椭球体的位置。卫星场景下的大地坐标均以WGS84椭球为参考椭球。WGS 84的坐标原点应该位于地球的质心。

纬度(纬度)起源于赤道。更具体地说，一点的纬度是该点上椭球体的法线与包含椭球体的中心和赤道的赤道平面的夹角。纬度角在[-90°，90°]的范围内。正纬度对应北方，负纬度对应南方。
朗即经度，起源于本初子午线。更具体地说，一点的经度是包含椭球圆心的平面和包含该点的子午线与包含椭球圆心的平面和本初子午线的夹角。正经度是从北极上方的有利位置以逆时针方向测量的。通常，经度在[-180°，180°]或[0°，360°]的范围内。
h，椭球面高度，沿参考椭球面法线测量。

地球地球定点坐标

以地球为中心的地球固定(ECEF)系统使用笛卡尔坐标(X，Y，Z)表示相对于参考椭球体中心的位置。椭球体中心到地球中心的距离取决于参考椭球体。

积极的X在纬度0°和经度0°处，赤道与本初子午线相交。
积极的Y轴与椭球面相交于纬度0°和经度90°。
积极的Z在纬度90°和经度0°处，即北极，该椭球体的表面相交。

地球地球定点系统

参考坐标系和东北向下(NED)坐标系

要描述空间中的一个点，你需要一个不围绕恒星旋转的参照系。的地心天体参考系(GCRF)，原点在地心，向量正交我，J,K，在添加时用作参照系卫星对象satelliteScenario．基本平面是我，J平面，它与赤道紧密对齐，有一个小的偏移，和K与北极紧密相连。可以在地心-赤道坐标系中使用位置矢量和速度矢量来描述卫星的位置。

地心天体参照系

在提到卫星的位置、速度、加速度、方向和角速度时，必须提到表示它们的坐标系。全局系统，如GCRF和大地系统，用三组坐标描述物体的位置。像NED和AER这样的局部系统需要两组坐标:一个三元组描述原点的位置，另一个三元组描述物体相对于原点的位置。

东北向下(NED)系统使用笛卡尔坐标(xNorth，酵母，zDown)表示相对于本地原点的位置。局部原点由大地坐标(lat0，lon0，h0)．典型的，内爆系统的局部起源是在地球表面以上。

积极的xNorth-轴沿经度子午线指向北方lon0．
积极的酵母-轴沿纬度的平行方向指向东方lat0．
积极的zDown-轴沿椭球法线向下指向。

NED坐标系通常用于指定相对于移动卫星的位置。注意，坐标并不是固定在卫星的框架上。

横摇、俯仰和偏航

三条线穿过卫星，并在卫星质心处成直角相交。这些轴随着卫星移动，并随着航天器相对于地球旋转。

围绕前后轴的旋转称为卷．
围绕左右轴的旋转称为球场．
绕垂直轴旋转称为偏航．

横摇、俯仰和偏航

卫星的偏航、俯仰和滚转角度遵循ISO公约。当观察轴的正方向时，这些角具有正顺时针方向。除非另有指定，默认为航空航天工具箱对这些角度使用偏航-俯仰-滚转顺序。

Azimuth-Elevation-Range坐标

方位-高程-距离(AER)系统使用球坐标(阿兹，海拔高度，范围)表示相对于本地原点的位置。局部原点由大地坐标(lat0，lon0，h0)．方位、仰角和倾斜距离取决于局部笛卡尔系统，例如NED系统。

阿兹，方位角，是在xEast-yNorth正平面yNorth-轴为物体在平面上的投影。
海拔高度，即仰角，是从xEast-yNorth平面到物体。
范围，即倾斜距离，是物体与局部原点之间的欧氏距离。

azimuth-elevation-range坐标

轨道要素

轨道元素是唯一识别特定轨道所需的参数。它至少需要6个参数来唯一地定义一个轨道和卫星在轨道中的位置。其中三个参数描述了轨道平面的样子和卫星在椭圆中的位置，另外三个参数描述了该平面在天体惯性参照系中的朝向以及卫星在该平面中的位置。这六个参数被称为开普勒元素或轨道元素。

轨道要素

在这个图中轨道平面(黄色)相交参考面(灰色)。对于地球轨道卫星，参考平面通常是地心天体参考系(GCRF)的I-J平面。

两个元素定义了椭圆的形状和大小:

偏心(e)-椭圆的形状，描述它与圆相比的拉长程度。
半长轴(a)-和近拱点而且最远点距离除以二。周距是一个绕轨道运行的物体最接近其所绕轨道运行的物体的质心的点。离地点是一个绕轨道运行的物体离它所绕轨道运行的物体质心最远的点。对于经典的两体轨道，半长轴是两个天体中心之间的距离。

接下来的两个元素定义了嵌入椭圆的轨道平面的方向:

倾向(我)-椭圆相对于参考平面的垂直倾斜，在升交点(其中轨道向上穿过参考平面，即绿色角度我在图中)。倾角是垂直于轨道平面与参考平面交点线测量的。椭圆上的任何三个点都可以定义椭圆轨道平面。
从赤道轨道开始，轨道平面可以向上倾斜。从赤道向上倾斜的角度称为倾斜角，我．由于地球的中心必须始终在轨道平面上，所以卫星在轨道上上升时经过赤道的点称为上升节点，卫星在下降时经过赤道的点称为上升节点下行节点．在赤道上画一条穿过这两点的线就定义了节点线。
升节右经(Ω)-相对于参考坐标系的I轴，椭圆上升节点(轨道向上穿过参考平面)的水平方向。
上升节点(RAAN)的赤经旋转可以是0到360°之间的任何数字。

其余两项内容如下:

根尖周的参数(ω)-椭圆在轨道平面上的方向，作为从上升节点到尖周的角度。
真正的异常(v)-轨道体在特定时间沿椭圆的位置。卫星在路径上的位置是从星尖周围逆时针方向测量的，称为真异常(ν)。

两个线元素(TLE)文件

航空航天工具箱接受双线元(TLE)文件作为输入卫星．下载TLE文件，请访问空间跟踪的网站。

双线元素集是一种数据格式，用于编码在给定时间点上绕地球运行的物体的轨道元素列表时代．轨道元素参数可以以多种格式编码为文本。其中最常见的是NASA/NORAD的“两行元素”格式。正如今天通常使用的那样，每个卫星有三行——一行包含卫星名称，后面是标准的两行元素。

每颗卫星的数据由三条线组成。

卫星1 1 25544U 98067A 04236.56031392 .00020137 00000-0 16538-3 0 9993 2 25544 51.6335 344.7760 0007976 126.2523 325.9359 15.70406856328906

第1行是一个11个字符的卫星名称。

第2行和第3行是标准的两行元素集格式，与NORAD和NASA使用的格式相同。

列	描述	例子
1	行号	`1`
3 - 7	卫星数量	`25544`
8	Elset分类	`U`
10 - 17	国际指示器	`98067一个`
19 - 32	元素集历元(UTC)	`04236.56031392`
34 - 43	平均运动对时间的一阶导数	`.00020137`
45 - 52	平均运动对时间的二阶导数(假定小数点)	`00000 - 0`
54 - 61	BSTAR阻力项。	`16538 - 3`
63	元素集合类型	`0`
65 - 68	元素数量	`999`
69	校验和(取模10)	`3.`

列	描述	例子
1	元素数据行号	`2`
3 - 7	卫星数量	`25544`
9 - 16	倾斜(度)	`51.6335`
18 - 25	升节赤经[度]	`344.7760`
27 - 33	偏心率(假定前导小数点)	`0007976`
35 - 42	近地点参数[度数]	`126.2523`
44 - 51	意思是异常(度)	`325.9359`
53 - 63	平均运动(每天转数)	`15.70406856`
64 - 68	历转数[转数]	`32890`
69	校验和(取模10)	`6`

根据应用程序和物体轨道的不同，来自30天以上的数据可能变得不可靠。轨道位置可以通过SGP4和SDP4算法从TLEs中计算出来。

参考文献

HSF -轨道元件。2020年11月30日。https://spaceflight.nasa.gov/realdata/elements/graphs.html。

[2]“CelesTrak: ' faq:两行元素集格式”，2016年3月26日。https://web.archive.org/web/20160326061740/http: / / celestrak.com/columns/v04n03/。