Ключевые концепции спутникового сценария

Вы можете использовать Satellite Communications Toolbox satelliteScenario объект обеспечивает возможность моделирования и визуализации спутников на орбите, вычисления доступа с наземными станциями, визуализации и анализа ссылок связи. В этой теме представлен обзор технических терминов, часто встречающихся при визуализации сценария.

Системы координат

Геодезические координаты

Геодезическая система использует координаты (lat, lon, h), чтобы представлять положение относительно эталонного эллипсоида. Все геодезические координаты в спутниковом сценарии используют WGS84 эллипсоид в качестве ссылки эллипсоида. Координатный источник WGS 84 предназначен для расположения в центре масс Земли.

  • lat - широта, которая берёт начало у экватора. Более конкретно, широта точки является углом, нормальным к эллипсоиду в этой точке делает с экваториальной плоскостью, которая содержит центр и экватор эллипсоида. Угол широты находится в области значений [-90 °, 90 °]. Положительные широты соответствуют северу, а отрицательные - югу.

  • lon - долгота, берущая начало на главном меридиане. Более конкретно, долгота точки является углом, который плоскость, содержащая эллипсоидный центр и меридиан, содержащий эту точку, составляет с плоскостью, содержащей эллипсоидный центр и основной меридиан. Положительные долготы измеряются в направлении против часовой стрелки от точки расположения над Северным полюсом. Обычно долгота находится в области значений [-180 °, 180 °] или [0 °, 360 °].

  • h - эллипсоидальная высота, которая измеряется вдоль нормы опорного сфероида.

Земноцентрируемые координаты Земли

Система Earth-centered Earth-fixed (ECEF) использует Декартовы координаты (X, Y, Z), чтобы представлять положение относительно центра эталонного эллипсоида. Расстояние между центром эллипсоида и центром Земли зависит от ссылки эллипсоида.

  • Положительная ось X пересекает поверхность эллипсоида на 0 ° широты и 0 ° долготы, где экватор встречает основной меридиан.

  • Положительная ось Y пересекает поверхность эллипсоида на 0 ° широты и 90 ° долготы.

  • Положительная ось Z пересекает поверхность эллипсоида на 90 ° широты и 0 ° долготы (Северный полюс).

[1]

Система координат ссылки и North East Down (NED) система координат

Чтобы описать точку в пространстве, вам нужна система координат отсчета, которая не вращается относительно звёзд. Geocentric Celestial Reference Frame (GCRF) с источником в центре Земли и ортогональными векторами I, J и K используется в качестве системы координат ссылки при добавлении Satellite объекты в satelliteScenario объект. Основной плоскостью является плоскость IJ, которая тесно выровнена с экватором с небольшим смещением, и K тесно выравнивается с Северным полюсом. Можно описать местоположение спутника с помощью вектора положения и вектора скорости в геоцентрически-экваториальной системе координат.

При обращении к положению, скорости, ускорению, ориентации и скорости вращения необходимо всегда упоминать систему координат, в которой выражены эти величины. Глобальные системы, такие как GCRF и геодезические системы, описывают положение объекта с помощью триплета координат. Локальные системы, такие как NED и Azimuth Elevation Range (AER) системы, требуют двух триплеты координат: один триплет описывает местоположение источника, а другой триплет описывает местоположение объекта относительно источника.

Система NED использует Декартовы координаты (xNorth, yEast, zDown), чтобы представлять положение относительно локального источника. Локальный источник описывается геодезическими координатами (lat0, lon0, h0). Обычно локальный источник системы NED находится над поверхностью Земли.

  • Положительная ось xNorth указывает на север вдоль меридиана долготы, содержащего lon0.

  • Положительная ось yEast указывает на восток вдоль параллели широты, содержащей lat0.

  • Положительная ось zDown указывает на юг вдоль нормали эллипсоида.

Система координат NED обычно используется, чтобы задать местоположение относительно движущегося спутника. При этом координаты не фиксируются на системе координат спутника.

Крен, тангаж и рыскание

Три линии проходят через спутник и пересекаются под прямым углом в центре масс спутника. Эти оси перемещаются вместе со спутником и вращаются относительно Земли вместе с судном.

  • Вращение вокруг оси «спереди назад» называется roll.

  • Вращение вокруг оси «сторона в сторону» называется pitch.

  • Вращение вокруг вертикальной оси называется yaw.

Рыскание, тангаж и углы крена спутников следуют соглашению о International Organization for Standardization (ISO). Эти углы имеют положительные направления по часовой стрелке при взгляде в положительном направлении осей. Если не указано иное, по умолчанию Satellite Communications Toolbox использует порядок поворота yaw-pitch-roll для этих углов.

Координаты Azimuth-Elevation-Range (AER)

Система AER использует сферические координаты (az, elv, область значений), чтобы представлять положение относительно локального источника. Локальный источник описывается геодезическими координатами (lat0, lon0, h0). Азимут, повышение и наклонные области значений зависят от локальной Декартовой системы (для примера - системы NED).

  • az - азимут, являющийся углом по часовой стрелке в (xEast) (yNorth) - плоскости от положительной оси yNorth до проекции объекта в плоскость.

  • elv - повышение, которая является углом от (xEast) (yNorth) - плоскости к объекту.

  • область значений является наклонной областью значений, который является евклидовым расстоянием между объектом и локальным источником.

Орбитальные элементы

Орбитальные элементы являются параметрами, необходимыми для однозначной идентификации конкретной орбиты. Уникальное определение орбиты и положения спутника на орбите спутника требует как минимум шести параметров. Три параметров описывают, как выглядит орбитальная плоскость и положение спутника в эллипсе. Другие три параметра описывают, как эта плоскость ориентирована в небесной инерционной системе координат и местоположение спутника в этой плоскости. Эти шесть параметров называются Keplerian elements или orbital elements.

В этой схеме orbital plane (желтый) пересекает reference plane (серый). Для спутников, вращающихся вокруг Земли, базовой плоскостью обычно является IJ - плоскость GCRF.

Эти два элемента определяют форму и размер эллипса:

  • Эксцентриситет (e) - форма эллипса, описывающая, насколько вытянутый он сравнивается с кругом.

  • Semimajor оси (a) - Сумма periapsis и apoapsis расстояний, разделенных на две. Periapsis - это точка, в которой орбитальный объект находится ближе всего к центру масс тела, в котором он вращается. Apoapsis - это точка, в которой орбитальный объект находится дальше всего от центра масс тела, в котором он вращается. Для классических орбит с двумя телами большой оси является расстоянием между центрами тел.

Эти два элемента определяют ориентацию орбитальной плоскости, в которую встроен эллипс:

  • Наклон (i) - Вертикальный наклон эллипса относительно базовая плоскость, измеренный в ascending node. Восходящий узел является местом, где орбита проходит вверх через базовую плоскость (зеленый угол i в схеме). Угол наклона измеряется перпендикулярно линии пересечения между плоскостью орбиты и базовой плоскостью. Любые три точки на эллипсе определяют орбитальную плоскость эллипса.

    Начиная с экваториальной орбиты, орбитальная плоскость может быть наклонена вверх. Угол, который он наклонен вверх от экватора, называется inclination angle, i. Потому что центр Земли должен всегда находиться в орбитальной плоскости, точка на орбите, где спутник проходит экватор на его пути вверх по орбите, является восходящим узлом, и точка, где спутник проходит экватор на пути вниз, является descending node. Построение линии через эти две точки на экваторе задает line of nodes.

  • Прямое восхождение восходящего узла (И) - горизонтальная ориентация восходящего узла эллипса (где орбита проходит вверх через базовую плоскость) относительно оси I системы координат.

    Вращение правого восхождения восходящего узла (RAAN) может быть любым числом от 0 до 360 °.

Оставшиеся два элемента:

  • Аргумент periapsis (в) - Ориентация эллипса в орбитальной плоскости, как угол, измеренный от восходящего узла к периапсису.

  • Истинная аномалия (v) - положение орбитального тела вдоль эллипса в определенное время. Положение спутника на пути измеряется против часовой стрелки от периапсиса и называется true anomaly,

Файлы с двумя линейными элементами (TLE)

Набор Satellite Communications Toolbox satellite функция принимает файл TLE как вход. Для загрузки файлов TLE смотрите веб-сайт Space track.

Набор TLE является форматом данных, кодирующим список орбитальных элементов объекта орбиты Земли для заданной точки времени, эпохи. Параметры орбитального элемента могут быть закодированы как текст в различных форматах. Наиболее распространенным форматом является формат NASA/NORAD TLE. В этом формате каждый спутник имеет три линии: первая линия содержит имя спутника, а следующие две линии являются стандартными двумя линиями элементов.

Данные для каждого спутника состоят из трех линий, как показывает этот пример.

Satellite 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

  • Линия 1 является одиннадцатисимвольным именем спутника.

  • Линии 2 и 3 являются стандартным форматом набора TLE, идентичным используемому NORAD и НАСА.

    СтолбецОписаниеПример
    1

    Номер линии

    		1
    3 — 7

    Номер спутника

    		25544
    8

    Классификация Элсета

    		U
    10 — 17

    Международный указатель

    		98067A
    19 — 32

    Эпоха набора элементов (UTC)

    		04236.56031392
    34 — 43

    Первая производная Среднего Движения относительно времени

    		.00020137
    45 — 52

    Вторая производная Среднего Движения относительно Времени (десятичная точка принята)

    		00000-0
    54 — 61

    BSTAR - термин перетаскивания.

    		16538-3
    63

    Тип набора элементов

    		0
    65 — 68

    Номер элемента

    		999
    69

    Контрольная сумма (по модулю 10)

    		3

    В этой таблице описываются столбцы в линии 3.

    СтолбецОписаниеПримеры
    1

    Номер линии данных элемента

    		2
    3 — 7

    Номер спутника

    		25544
    9 — 16

    Наклон [ степеней]

    		51.6335
    18 — 25

    Прямое восхождение по восходящему узлу [степени]

    		344.7760
    27 — 33

    Эксцентриситет (Начальная десятичная точка, принятая)

    		0007976
    35 — 42

    Аргумент Перигея [ Степеней]

    		126.2523
    44 — 51

    Средняя аномалия [ степени]

    		325.9359
    53 — 63

    Среднее движение [обороты в день]

    		15.70406856
    64 — 68

    Число революции в эпоху [Revs]

    		32890
    69

    Контрольная сумма (по модулю 10)

    		6

В зависимости от приложения и орбиты объекта данные, полученные из TLE старше 30 дней, могут стать ненадежными. Положения орбиты могут быть вычислены из TLEs с помощью алгоритмов SGP4 и SDP4.

Ссылки

[1] «HSF - орбитальные элементы». Доступ к 30 ноября 2020 года. https://spaceflight.nasa.gov/realdata/elements/graphs.html.

[2] "CelesTrak:" часто задаваемые вопросы: двухстрочный формат набора элементов ", 26 марта 2016 года. https://web.archive.org/web/20160326061740/http ://celestrak.com/columns/v04n03/.

См. также

Объекты

Функции

Похожие темы

[1] Выравнивание контуров и меток областей является представлением функции, предоставляемой поставщиками данных, и не подразумевает одобрения MathWorks®.

Документация по Satellite Communications Toolbox

Поддержка

Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте