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随着国民经济的日益发展和综合国力的不断提高,2007年已成为我国卫星发射的第一个高峰年,今年将陆续发射一系列卫星。这包括已发射的北斗导航卫星、鑫诺3号广播电视专用卫星,还有将要发射的中星6B、中星9号通信卫星,嫦娥1号探月卫星等,令所有关心我国航天事业和卫星广播电视事业的爱好者欢欣鼓舞。在这陆续而至的美好时光里,就让我们运用卫星跟踪软件来寻找和描绘卫星运行的美妙轨迹吧!
4、SatScape软件的安装和使用
SatScape也是一个免费的卫星跟踪软件,和上面介绍的软件们相比,具有信息量更大、运用数据量更多的特点,而且可以自定义Keps根数的网络下载链接。由于运用了DirectX技术,三维立体空间(3D)显示效果很好。
(1)软件的下载和安装
SatScape是由Scott Hather先生所开发的卫星跟踪软件,可到该作者的网站http://www.satscape.co.uk/binary/SatScape202-Setup.zip/下载v2.02版本(图26)。该软件属于Donationware(捐款软件),其意思是用户可以像自由软件一样无偿地取得并使用软件的全部功能,但在附属文件和帮助等中会记载“如果中意请捐款”的消息,向想继续使用的用户索取任意金额的捐款。
(2)软件升级
软件启动后,一般要先进行软件升级,通过点击主菜单的【Settings】→【Internet Update】 进入网络升级界面(图27),连接好网络,依次点击【Update “Keps”】、 【Synchronise PC Clock】、【Update Database】,升级Keps根数文件、网络校时和升级数据库。
除了网络校时以外,软件默认和http://www.celestrak.com/NORAD/elements/链接,升级各项参数。
(3)软件使用
①观测点设置
软件启动后,首先设置自己的观测点位置。通过点击主菜单的【Settings】→【Locations】调出位置设置界面(图28)。在这个界面里,用户可以从左边栏目里选择观测点所在的城市,也可以在右边直接输入当前的经纬度。例如我们点击“Set as Primary”首位设置按钮,将“Beijing”设置到第一位置。
②卫星组和收藏夹设置
点击主菜单的 【Settings】→【Groups and Favourites】,进入卫星组和收藏夹界面(图29),进行卫星选择设置。在这里可以看到三个区域,左边的是卫星组选择表,中间的是卫星收藏夹,右边显示当前卫星的信息。
软件默认的状态下只收藏了八个卫星组,如果上面没有你需要的卫星组,可以点击“Select a Celestrak Group”下拉按钮,选择Celestrak网站上你需要的卫星组,再点击“Add This to you Group”按钮,将它添加到上面的卫星组中。也可通过“Add New Group”自定义卫星组和相关的数据下载的链接网站,最后记得重新返回图27的界面中,进行网络升级,以确保数据的实时性。
在卫星收藏夹中选择你需要查询的卫星,右边的卫星信息栏会显示当前卫星的信息,如果你需要更多有关该卫星的信息,可以点击下面的“Find more info on internet“按钮,软件会自动链接到www.google.com网站进行该卫星的信息搜索。设置完成后,点击右上角的“×”图标,关闭该设置界面。
③轨迹显示
我们同样以鑫诺3号卫星为例,在图29中选择好该卫星,点击主菜单的【2D View】→【World】,可以看到如图30的二维画面,软件以世界地图的方式显示出所有卫星组收藏夹下的所选择卫星的当前位置。界面的右边同样是卫星的轨道参数显示,项目大体和上面软件介绍的内容相似。
点击主菜单的【3D View】,可以显示卫星的三维空间画面,如图31所示。在界面的右上角为3D状态调整,其中左边的滑块调节地球的上下观察角度、右边的滑块调节地球的远近观察角度、下边的滑块调节地球的左右观察角度。经过适当的调整,卫星和地球的3D画面会动态地呈现在我们面前。
我们可以选择geo同步卫星组里所有的卫星,进行3D状态显示(图32),从中形象直观地看出,在我们地球上空的同步轨道上有多少卫星在运行。
记得国外知名的www.stk.com网站上曾经刊登一张和上图类似的地球同步轨道卫星示意图(图33),罗列出UHF、MSS、Hybird、L、S、C、Ku、Ka各种波段的卫星示意图,虽然图片不太清楚,而且是2000年制作的图片资料,但也形象地反映出地球同步轨道上的各颗卫星的位置和性质,我们特地引用,供大家欣赏。
点击主菜单的【Horizon View】,可以显示以第一位置为观测点、当前地平线上卫星的全景天空显示图(图34),如果是近地卫星的话,甚至可以直接用肉眼看到。
④数据查询
点击主菜单的【Tabular Data View】,可以查询卫星轨道数据表,在图35的列表中,依次显示卫星的Azimuth(方位角)、Elevation(仰角)、Range(观测点和卫星间的距离)、Height(高度)、Lat(纬度)、Long(经度)和Direction(方向)参数,其中Direction有Decending(下降)和Accending(上升)两种状态。
对于以当前观测点为中心,处于地平面之上可接收的卫星名称用红色字体显示,并将可接收数量统计到右上角的SATELLITE STATUS(卫星状态)下。
在主界面下,还有【Pass Predictions】(预测)、【Iridium Flares】(美国“铱”卫星)和【Rotor/Radio Control】(旋转器/无线控制))数据查询功能,其中【Rotor/Radio Control】内嵌WiSP DDE Client V.4.1程序(图36),可用于对旋转器的控制。
5、卫星跟踪软件的接口控制
在上面介绍Orbitron、SatScape软件时,限于篇幅,我们都未对其中的【旋转器/电台】、【Rotor/Radio Control】功能作具体介绍,其实这就是卫星跟踪软件接口控制功能,此外的一些卫星跟踪软件如Nova for Windows、SatPC32等也具有并强化了这种功能。
(1)卫星跟踪软件的接口控制
利用卫星跟踪软件的接口控制功能,可通过计算机相关的驱动控制硬件接口连接上相应的控制器,再通过控制器驱动天文望远镜或者天线的机械装置,完成对卫星进行跟踪观测或指向调整,连接如图37所示。
这些卫星跟踪软件主要应用在低轨道的卫星的业余观测和业余卫星通信上,由于低轨道卫星运行周期较短,一般几个小时绕地球一周,所以使用观测设备应具备自动跟踪的功能。一般将设备安装在可沿水平轴和垂直轴旋转的台架上,通过室内机房提供的驱动信号和电力完成跟踪动作。图38-39为国外的天文爱好者用于观测卫星的机械跟踪装置,通过电脑显示屏和监视器显示电子图像。
(2)业余卫星通信的跟踪控制
对于业余卫星通信来讲,由于是采用低轨道的Amateur卫星,特点是运行的速度特别快,一般每两小时绕就可地球一周,每次飞过达到的时刻都不一样,而每次只有十到二十分钟的捕捉时间。因此在进行业余卫星通信时,首先最重要的是知道卫星什么时候飞到自己的上空,也就是说必须能精确的确定卫星的位置。对此采用的方法有很多,而采用卫星跟踪软件则是一个很好又非常简便的方法。在卫星跟踪软件界面里,只要输入你所在地经纬度,结合互联网上最新的Keps根数,便可准确预测出某颗星到达你上空的时间,以及查询到通过时的仰角和方位角。
①手动跟踪控制
根据得出的参数,一些爱好者采用日本YAESU(八重洲)公司系列的电动机械驱动装置(又称旋转器),如YAESU G5500旋转器进行手动调节。YAESU G5500包括天线旋转器和仰角方位角控制仪两个设备,如图40所示。
仰角方位角控制仪的电路非常简单,如图41所示。通过面板上的上、下、左、右四个开关(SW2、SW3、SW5、SW4)分别控制仰角、方位角两个步进电机的旋转角度,并且步进电机的旋转状态通过作为天线旋转器上的两个桥式电位检测线性电位器(方位角检测电位器VR5、仰角检测电位器VR6),反馈到指针表电路上作为旋转角度同步显示。由于天线的指向波束有一定的辐射范围,因此简易的人工手动跟踪控制也可实现天线与卫星间的通信。
②自动跟踪控制
对于专业用户则更多地使用天线控制器,由计算机控制天线控制器,使天线始终指向卫星,实现对卫星的自动跟踪。例如比利时生产的PrimeSat Controller就是这样的一台控制器(图42),控制器采用微处理器控制,具有大尺寸的LCD显示屏用于控制参数显示,和电脑的接口采用光电隔离电路,兼容日本YAESU(八重洲)公司系列的旋转器。
首先进行硬件连接,将它的一端连接到接收机计算机的USB接口,另一端通过专业电缆线连接到天线旋转器上(图43),通过跟踪软件获得相关的数据控制天线旋转器,使之指向卫星。
采用PrimeSat Controller控制器,需要安装相应的辅助软件来控制天线的指向,图44是PrimeSat Controller v1.0c软件的主界面。
通过【Config】(配置)→【Options】,进入选项设置界面(图45),这是对硬件设备控制的界面,在【Model】转动模式上,选择“YAESU G5500”硬件,在【Tracking Software】跟踪软件上,这里我们选择“Nova for Windows”软件。
再打开Nova for Windows软件,进入【Setup】(设置)→【Antenna Rotator】天线转动界面(图46),选择DDE(Dynamic Data Exchange:动态数据交换)转动接口协议。
点击“OK”按钮,就完成了软件设置,如果一切设置准确,卫星收发一体机就可以开始工作。
(3)卫星通信中的自动跟踪控制方案特点
实际上,业余卫星通信的自动跟踪控制系统类似我们使用卫星接收机+极轴天线的卫星接收方案。不过卫星接收方案中的卫星是同步卫星,相对于接收点位置是固定不动的,我们只是在换台操作寻找另一颗卫星上的节目才用到它。而在业余卫星通信系统中的卫星,相对于观测点位置是不断变化的,我们的自动跟踪控制系统也一直处于在自动跟踪状态。根据Keps根数,卫星跟踪软件实时计算出卫星的运行轨迹参数,并且通过跟踪软件的接口控制功能,将数据传送到天线控制器上,天线控制器配合自身开发的控制软件,输出仰角、方位角参数的电信号,去控制旋转器内部的步进电机工作,完成对位置不断变化卫星的跟踪。
有卫视烧友不禁会问,那么这种业余卫星通信的自动跟踪控制系统和我们所知的车载卫星接收系统有什么区别,能否将它应用到车载卫星接收系统中?
车载卫星接收系统是在移动中接收卫星,卫星位置是不动的,而接收点是不断变化的且没有规律性可言;而业余卫星通信的自动跟踪控制系统是在观测点接收移动中的卫星,观测点位置是不动的,而卫星位置是不断变化的,但运行有规律性,有固定的运行轨迹。
由于上述两种不同的特征,两个系统在对仰角、方位角参数的导出上有结构性的区别。在车载卫星接收系统中,主要是通过自身的GPS硬件模块接收GPS卫星的定位信息,从而测量出车体的姿态变化,并将这种变化通过软件变换为仰角、方位角参数的电信号。而业余卫星通信的自动跟踪控制系统是直接下载Keps根数,通过卫星跟踪软件配合天线控制器输出仰角、方位角参数的电信号的,由于这种性质,决定了两者之间很难互换。
关于卫星跟踪软件的相关话题
1. 弄清卫星跟踪软件的实质原理
基于去年通过卫星跟踪软件追踪鑫诺2号卫星的经验,不少烧友认为通过卫星跟踪软件可以“直播”卫星发射运行状态,同样将它运用到今年6月1日发射的鑫诺3号上,从而在卫视论坛上作出直至6月16日仍未定点的结论,而实际上官方公布在6月7日凌晨3时06分,鑫诺3号卫星成功定点于东经125度赤道上空。
这就是经验主义带来的错误结论,对于使用卫星跟踪软件,我们首先要弄清一个概念,卫星跟踪软件的实质原理是什么?是对Keps根数的计算和描述!卫星跟踪软件仅仅是一个软体程序,本身并不具备跟踪卫星的能力。它所显示的卫星位置参数是根据互联网上所提供的Keps根数经过软件数学模型运算得出的,同时也可仿真出各颗卫星的运行轨迹。只有有效的Keps根数,卫星跟踪软件才能正确地描绘出卫星轨迹。另外大部分的卫星轨道跟踪软件都是链接于Celestrak网站的Keps根数,而Celestrak网站的Keps根数则是依靠NORAD的发布更新。
去年NORAD对鑫诺2号卫星的Keps根数发布很及时,因此烧友们运用卫星跟踪软件能够正确地预知卫星的运行状态。不过此一时彼一时,今年的NORAD不知道什么原因一直未对鑫诺3号的“31577”编号Keps根数进行更新,各个软件使用的仍是原来发射时测出的Keps根数,这对一颗处在转轨、定位状态下的卫星来讲,无疑是一个失效的根数,当然不能准确地反映出卫星运行的实时状态。
直至北京时间6月17日16时33分,NORAD才对外公发布鑫诺3号的第二次Keps根数,如图47所示。对比图20中的参数,我们可以明显地发现,近地点×远地点距离(km)已由原来的“194.6×41904.1”的椭圆形转移轨道变轨为“35780.6×35792.7”正圆形同步轨道;卫星轨道倾角也由原来的“25.0699”变为“0.2723”;入轨以来,已绕行了19圈。
如果打开SatBuster软件卫星的正视图(图48),可以看到鑫诺3号已经定点在125°E的轨位上。
对于已定轨的卫星来讲,除非地面测控站人为调整卫星轨道,通常Keps根数的有效期可达两个月之久。一旦卫星轨道有所变动后,卫星跟踪软件需及时连上网络,从链接网站上下载最新Keps根数。同时为了保证模拟卫星轨迹的准确,软件也会连上网络上的时间校准服务器,自动校准本地时间。
2. 发布Keps根数的网站
一般西方国家的一些宇航方面的网站包括一些官方网站,每天都会发布雷达追踪卫星的一些Keps根数,由于是实际追踪的数据,所以比较准确。卫星跟踪软件所依据的也正是这些网站发布的数据,并且把它们变成了直观的卫星位置图。
常见的Keps根数发布网站网页链接如下:
http://amsat.org/amsat-new/tools/keps.php/
http://www.calsky.com/?SatLib=/
http://www.celestrak.com/
http://www.logsat.com/keps.asp/
http://www.n2yo.com/
http://spaceflight.nasa.gov/realdata/sightings/SSapplications/Post/JavaSSOP/orbit/SHUTTLE/SVPOST.html/
某些官方网站Keps根数更新是非常及时的,如美军方授权的Space-Track网站(www.space-track.org),申请注册后可获取Keps根数,相比较Celestrak网站时效性会高一些。例如我国在2007年1月11日进行了反卫星实验,如图49所示。
据美国《Aviation Week & Space Technology》航空周刊杂志报道:从西昌卫星发射中心发射了一枚开拓者2号(KT-2)小型固体运载火箭,类似于东风21弹道导弹,成功地击毁了已经退役的风云1C(FENGYUN 1C)气象卫星。在此之际,Space-Track网站发布的风云1C轨道Keps根数高达5次之多,大大超过平时每天公布1~2次,说明当天军方的雷达系统有意识加大了对风云1C的跟踪力度。而在摧毁后,该卫星数据很快就从更新后的星历数据weather栏中消失了。
3. 专业的卫星软件工具包
谈到卫星跟踪软件,最后我们不得不提一提现今非常流行的STK(Satellite Tool Kit:卫星工具包)软件,在上文介绍图33时,提到了知名的www.stk.com网站,它就是美国AGI(Analytical Graphics:分析图形)有限公司为推广自家的STK系列卫星分析软件而建立的网站,它和公司主网站(www.agi.com)有完全一样的页面(图50)。
STK软件是由AGI公司经十几年不断开发、完善的大型卫星系统商品化分析软件,目前已推出STK8版本。STK提供分析引擎用于计算数据、并可显示多种形式的2D地图,显示卫星和其它对象如运载火箭、地面车辆、目标等。STK的核心能力是产生位置和姿态数据、获取时间、遥感器覆盖分析。在STK专业版里还包括附加的轨道预报算法、姿态定义、坐标类型和坐标系统、遥感器类型、高级的约束条件定义以及卫星、城市、地面站和恒星数据库。对于特定的分析任务,STK提供了附加分析模块,可以解决通信分析、雷达分析、覆盖分析、轨道机动、精确定轨、实时操作等问题。另外,STK还有3D可视化模块,为STK和其它附加模块提供领先的3D显示环境。
业内人士称STK软件为顶级的卫星仿真软件,是一款在航天工业领域中处于绝对领先地位的商品化分析软件。它支持航天任务周期的全过程,包括概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用等。STK是先进的商用现货(COTS)分析和可视化工具,它可以支援航天、防御和情报任务。利用它可以快速方便地分析复杂任务,获得易于理解的图表和文本形式的分析结果,以确定最佳解决方案。
由此可以看出,卫星软件在实际工程应用中的重要作用,最后,我们归纳了部分卫星跟踪软件及其适用的操作系统、下载网址等,如表6所示。
4、SatScape软件的安装和使用
SatScape也是一个免费的卫星跟踪软件,和上面介绍的软件们相比,具有信息量更大、运用数据量更多的特点,而且可以自定义Keps根数的网络下载链接。由于运用了DirectX技术,三维立体空间(3D)显示效果很好。
(1)软件的下载和安装
SatScape是由Scott Hather先生所开发的卫星跟踪软件,可到该作者的网站http://www.satscape.co.uk/binary/SatScape202-Setup.zip/下载v2.02版本(图26)。该软件属于Donationware(捐款软件),其意思是用户可以像自由软件一样无偿地取得并使用软件的全部功能,但在附属文件和帮助等中会记载“如果中意请捐款”的消息,向想继续使用的用户索取任意金额的捐款。
(2)软件升级
软件启动后,一般要先进行软件升级,通过点击主菜单的【Settings】→【Internet Update】 进入网络升级界面(图27),连接好网络,依次点击【Update “Keps”】、 【Synchronise PC Clock】、【Update Database】,升级Keps根数文件、网络校时和升级数据库。
除了网络校时以外,软件默认和http://www.celestrak.com/NORAD/elements/链接,升级各项参数。
(3)软件使用
①观测点设置
软件启动后,首先设置自己的观测点位置。通过点击主菜单的【Settings】→【Locations】调出位置设置界面(图28)。在这个界面里,用户可以从左边栏目里选择观测点所在的城市,也可以在右边直接输入当前的经纬度。例如我们点击“Set as Primary”首位设置按钮,将“Beijing”设置到第一位置。
②卫星组和收藏夹设置
点击主菜单的 【Settings】→【Groups and Favourites】,进入卫星组和收藏夹界面(图29),进行卫星选择设置。在这里可以看到三个区域,左边的是卫星组选择表,中间的是卫星收藏夹,右边显示当前卫星的信息。
软件默认的状态下只收藏了八个卫星组,如果上面没有你需要的卫星组,可以点击“Select a Celestrak Group”下拉按钮,选择Celestrak网站上你需要的卫星组,再点击“Add This to you Group”按钮,将它添加到上面的卫星组中。也可通过“Add New Group”自定义卫星组和相关的数据下载的链接网站,最后记得重新返回图27的界面中,进行网络升级,以确保数据的实时性。
在卫星收藏夹中选择你需要查询的卫星,右边的卫星信息栏会显示当前卫星的信息,如果你需要更多有关该卫星的信息,可以点击下面的“Find more info on internet“按钮,软件会自动链接到www.google.com网站进行该卫星的信息搜索。设置完成后,点击右上角的“×”图标,关闭该设置界面。
③轨迹显示
我们同样以鑫诺3号卫星为例,在图29中选择好该卫星,点击主菜单的【2D View】→【World】,可以看到如图30的二维画面,软件以世界地图的方式显示出所有卫星组收藏夹下的所选择卫星的当前位置。界面的右边同样是卫星的轨道参数显示,项目大体和上面软件介绍的内容相似。
点击主菜单的【3D View】,可以显示卫星的三维空间画面,如图31所示。在界面的右上角为3D状态调整,其中左边的滑块调节地球的上下观察角度、右边的滑块调节地球的远近观察角度、下边的滑块调节地球的左右观察角度。经过适当的调整,卫星和地球的3D画面会动态地呈现在我们面前。
我们可以选择geo同步卫星组里所有的卫星,进行3D状态显示(图32),从中形象直观地看出,在我们地球上空的同步轨道上有多少卫星在运行。
记得国外知名的www.stk.com网站上曾经刊登一张和上图类似的地球同步轨道卫星示意图(图33),罗列出UHF、MSS、Hybird、L、S、C、Ku、Ka各种波段的卫星示意图,虽然图片不太清楚,而且是2000年制作的图片资料,但也形象地反映出地球同步轨道上的各颗卫星的位置和性质,我们特地引用,供大家欣赏。
点击主菜单的【Horizon View】,可以显示以第一位置为观测点、当前地平线上卫星的全景天空显示图(图34),如果是近地卫星的话,甚至可以直接用肉眼看到。
④数据查询
点击主菜单的【Tabular Data View】,可以查询卫星轨道数据表,在图35的列表中,依次显示卫星的Azimuth(方位角)、Elevation(仰角)、Range(观测点和卫星间的距离)、Height(高度)、Lat(纬度)、Long(经度)和Direction(方向)参数,其中Direction有Decending(下降)和Accending(上升)两种状态。
对于以当前观测点为中心,处于地平面之上可接收的卫星名称用红色字体显示,并将可接收数量统计到右上角的SATELLITE STATUS(卫星状态)下。
在主界面下,还有【Pass Predictions】(预测)、【Iridium Flares】(美国“铱”卫星)和【Rotor/Radio Control】(旋转器/无线控制))数据查询功能,其中【Rotor/Radio Control】内嵌WiSP DDE Client V.4.1程序(图36),可用于对旋转器的控制。
5、卫星跟踪软件的接口控制
在上面介绍Orbitron、SatScape软件时,限于篇幅,我们都未对其中的【旋转器/电台】、【Rotor/Radio Control】功能作具体介绍,其实这就是卫星跟踪软件接口控制功能,此外的一些卫星跟踪软件如Nova for Windows、SatPC32等也具有并强化了这种功能。
(1)卫星跟踪软件的接口控制
利用卫星跟踪软件的接口控制功能,可通过计算机相关的驱动控制硬件接口连接上相应的控制器,再通过控制器驱动天文望远镜或者天线的机械装置,完成对卫星进行跟踪观测或指向调整,连接如图37所示。
这些卫星跟踪软件主要应用在低轨道的卫星的业余观测和业余卫星通信上,由于低轨道卫星运行周期较短,一般几个小时绕地球一周,所以使用观测设备应具备自动跟踪的功能。一般将设备安装在可沿水平轴和垂直轴旋转的台架上,通过室内机房提供的驱动信号和电力完成跟踪动作。图38-39为国外的天文爱好者用于观测卫星的机械跟踪装置,通过电脑显示屏和监视器显示电子图像。
(2)业余卫星通信的跟踪控制
对于业余卫星通信来讲,由于是采用低轨道的Amateur卫星,特点是运行的速度特别快,一般每两小时绕就可地球一周,每次飞过达到的时刻都不一样,而每次只有十到二十分钟的捕捉时间。因此在进行业余卫星通信时,首先最重要的是知道卫星什么时候飞到自己的上空,也就是说必须能精确的确定卫星的位置。对此采用的方法有很多,而采用卫星跟踪软件则是一个很好又非常简便的方法。在卫星跟踪软件界面里,只要输入你所在地经纬度,结合互联网上最新的Keps根数,便可准确预测出某颗星到达你上空的时间,以及查询到通过时的仰角和方位角。
①手动跟踪控制
根据得出的参数,一些爱好者采用日本YAESU(八重洲)公司系列的电动机械驱动装置(又称旋转器),如YAESU G5500旋转器进行手动调节。YAESU G5500包括天线旋转器和仰角方位角控制仪两个设备,如图40所示。
仰角方位角控制仪的电路非常简单,如图41所示。通过面板上的上、下、左、右四个开关(SW2、SW3、SW5、SW4)分别控制仰角、方位角两个步进电机的旋转角度,并且步进电机的旋转状态通过作为天线旋转器上的两个桥式电位检测线性电位器(方位角检测电位器VR5、仰角检测电位器VR6),反馈到指针表电路上作为旋转角度同步显示。由于天线的指向波束有一定的辐射范围,因此简易的人工手动跟踪控制也可实现天线与卫星间的通信。
②自动跟踪控制
对于专业用户则更多地使用天线控制器,由计算机控制天线控制器,使天线始终指向卫星,实现对卫星的自动跟踪。例如比利时生产的PrimeSat Controller就是这样的一台控制器(图42),控制器采用微处理器控制,具有大尺寸的LCD显示屏用于控制参数显示,和电脑的接口采用光电隔离电路,兼容日本YAESU(八重洲)公司系列的旋转器。
首先进行硬件连接,将它的一端连接到接收机计算机的USB接口,另一端通过专业电缆线连接到天线旋转器上(图43),通过跟踪软件获得相关的数据控制天线旋转器,使之指向卫星。
采用PrimeSat Controller控制器,需要安装相应的辅助软件来控制天线的指向,图44是PrimeSat Controller v1.0c软件的主界面。
通过【Config】(配置)→【Options】,进入选项设置界面(图45),这是对硬件设备控制的界面,在【Model】转动模式上,选择“YAESU G5500”硬件,在【Tracking Software】跟踪软件上,这里我们选择“Nova for Windows”软件。
再打开Nova for Windows软件,进入【Setup】(设置)→【Antenna Rotator】天线转动界面(图46),选择DDE(Dynamic Data Exchange:动态数据交换)转动接口协议。
点击“OK”按钮,就完成了软件设置,如果一切设置准确,卫星收发一体机就可以开始工作。
(3)卫星通信中的自动跟踪控制方案特点
实际上,业余卫星通信的自动跟踪控制系统类似我们使用卫星接收机+极轴天线的卫星接收方案。不过卫星接收方案中的卫星是同步卫星,相对于接收点位置是固定不动的,我们只是在换台操作寻找另一颗卫星上的节目才用到它。而在业余卫星通信系统中的卫星,相对于观测点位置是不断变化的,我们的自动跟踪控制系统也一直处于在自动跟踪状态。根据Keps根数,卫星跟踪软件实时计算出卫星的运行轨迹参数,并且通过跟踪软件的接口控制功能,将数据传送到天线控制器上,天线控制器配合自身开发的控制软件,输出仰角、方位角参数的电信号,去控制旋转器内部的步进电机工作,完成对位置不断变化卫星的跟踪。
有卫视烧友不禁会问,那么这种业余卫星通信的自动跟踪控制系统和我们所知的车载卫星接收系统有什么区别,能否将它应用到车载卫星接收系统中?
车载卫星接收系统是在移动中接收卫星,卫星位置是不动的,而接收点是不断变化的且没有规律性可言;而业余卫星通信的自动跟踪控制系统是在观测点接收移动中的卫星,观测点位置是不动的,而卫星位置是不断变化的,但运行有规律性,有固定的运行轨迹。
由于上述两种不同的特征,两个系统在对仰角、方位角参数的导出上有结构性的区别。在车载卫星接收系统中,主要是通过自身的GPS硬件模块接收GPS卫星的定位信息,从而测量出车体的姿态变化,并将这种变化通过软件变换为仰角、方位角参数的电信号。而业余卫星通信的自动跟踪控制系统是直接下载Keps根数,通过卫星跟踪软件配合天线控制器输出仰角、方位角参数的电信号的,由于这种性质,决定了两者之间很难互换。
关于卫星跟踪软件的相关话题
1. 弄清卫星跟踪软件的实质原理
基于去年通过卫星跟踪软件追踪鑫诺2号卫星的经验,不少烧友认为通过卫星跟踪软件可以“直播”卫星发射运行状态,同样将它运用到今年6月1日发射的鑫诺3号上,从而在卫视论坛上作出直至6月16日仍未定点的结论,而实际上官方公布在6月7日凌晨3时06分,鑫诺3号卫星成功定点于东经125度赤道上空。
这就是经验主义带来的错误结论,对于使用卫星跟踪软件,我们首先要弄清一个概念,卫星跟踪软件的实质原理是什么?是对Keps根数的计算和描述!卫星跟踪软件仅仅是一个软体程序,本身并不具备跟踪卫星的能力。它所显示的卫星位置参数是根据互联网上所提供的Keps根数经过软件数学模型运算得出的,同时也可仿真出各颗卫星的运行轨迹。只有有效的Keps根数,卫星跟踪软件才能正确地描绘出卫星轨迹。另外大部分的卫星轨道跟踪软件都是链接于Celestrak网站的Keps根数,而Celestrak网站的Keps根数则是依靠NORAD的发布更新。
去年NORAD对鑫诺2号卫星的Keps根数发布很及时,因此烧友们运用卫星跟踪软件能够正确地预知卫星的运行状态。不过此一时彼一时,今年的NORAD不知道什么原因一直未对鑫诺3号的“31577”编号Keps根数进行更新,各个软件使用的仍是原来发射时测出的Keps根数,这对一颗处在转轨、定位状态下的卫星来讲,无疑是一个失效的根数,当然不能准确地反映出卫星运行的实时状态。
直至北京时间6月17日16时33分,NORAD才对外公发布鑫诺3号的第二次Keps根数,如图47所示。对比图20中的参数,我们可以明显地发现,近地点×远地点距离(km)已由原来的“194.6×41904.1”的椭圆形转移轨道变轨为“35780.6×35792.7”正圆形同步轨道;卫星轨道倾角也由原来的“25.0699”变为“0.2723”;入轨以来,已绕行了19圈。
如果打开SatBuster软件卫星的正视图(图48),可以看到鑫诺3号已经定点在125°E的轨位上。
对于已定轨的卫星来讲,除非地面测控站人为调整卫星轨道,通常Keps根数的有效期可达两个月之久。一旦卫星轨道有所变动后,卫星跟踪软件需及时连上网络,从链接网站上下载最新Keps根数。同时为了保证模拟卫星轨迹的准确,软件也会连上网络上的时间校准服务器,自动校准本地时间。
2. 发布Keps根数的网站
一般西方国家的一些宇航方面的网站包括一些官方网站,每天都会发布雷达追踪卫星的一些Keps根数,由于是实际追踪的数据,所以比较准确。卫星跟踪软件所依据的也正是这些网站发布的数据,并且把它们变成了直观的卫星位置图。
常见的Keps根数发布网站网页链接如下:
http://amsat.org/amsat-new/tools/keps.php/
http://www.calsky.com/?SatLib=/
http://www.celestrak.com/
http://www.logsat.com/keps.asp/
http://www.n2yo.com/
http://spaceflight.nasa.gov/realdata/sightings/SSapplications/Post/JavaSSOP/orbit/SHUTTLE/SVPOST.html/
某些官方网站Keps根数更新是非常及时的,如美军方授权的Space-Track网站(www.space-track.org),申请注册后可获取Keps根数,相比较Celestrak网站时效性会高一些。例如我国在2007年1月11日进行了反卫星实验,如图49所示。
据美国《Aviation Week & Space Technology》航空周刊杂志报道:从西昌卫星发射中心发射了一枚开拓者2号(KT-2)小型固体运载火箭,类似于东风21弹道导弹,成功地击毁了已经退役的风云1C(FENGYUN 1C)气象卫星。在此之际,Space-Track网站发布的风云1C轨道Keps根数高达5次之多,大大超过平时每天公布1~2次,说明当天军方的雷达系统有意识加大了对风云1C的跟踪力度。而在摧毁后,该卫星数据很快就从更新后的星历数据weather栏中消失了。
3. 专业的卫星软件工具包
谈到卫星跟踪软件,最后我们不得不提一提现今非常流行的STK(Satellite Tool Kit:卫星工具包)软件,在上文介绍图33时,提到了知名的www.stk.com网站,它就是美国AGI(Analytical Graphics:分析图形)有限公司为推广自家的STK系列卫星分析软件而建立的网站,它和公司主网站(www.agi.com)有完全一样的页面(图50)。
STK软件是由AGI公司经十几年不断开发、完善的大型卫星系统商品化分析软件,目前已推出STK8版本。STK提供分析引擎用于计算数据、并可显示多种形式的2D地图,显示卫星和其它对象如运载火箭、地面车辆、目标等。STK的核心能力是产生位置和姿态数据、获取时间、遥感器覆盖分析。在STK专业版里还包括附加的轨道预报算法、姿态定义、坐标类型和坐标系统、遥感器类型、高级的约束条件定义以及卫星、城市、地面站和恒星数据库。对于特定的分析任务,STK提供了附加分析模块,可以解决通信分析、雷达分析、覆盖分析、轨道机动、精确定轨、实时操作等问题。另外,STK还有3D可视化模块,为STK和其它附加模块提供领先的3D显示环境。
业内人士称STK软件为顶级的卫星仿真软件,是一款在航天工业领域中处于绝对领先地位的商品化分析软件。它支持航天任务周期的全过程,包括概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用等。STK是先进的商用现货(COTS)分析和可视化工具,它可以支援航天、防御和情报任务。利用它可以快速方便地分析复杂任务,获得易于理解的图表和文本形式的分析结果,以确定最佳解决方案。
由此可以看出,卫星软件在实际工程应用中的重要作用,最后,我们归纳了部分卫星跟踪软件及其适用的操作系统、下载网址等,如表6所示。