甲肝会传染:[科普]卫星跟踪软件介绍

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，今年将陆续发射了一系列卫星。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、中星6B通信广播卫星，还要发射的中星9号直播卫星、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！ 
　　 
　　随着航空航天技术的日益发展，越来越多的卫星和探测器被发射至太空轨道中运行。为了准确地观察和预测这些卫星和探测器在轨道上位置，人们开发出卫星跟踪软件（Satellite Tracking Software），配合互联网上提供的相关卫星轨道参数，运用软件来计算卫星在轨参数、模拟卫星运行轨迹，以帮助使用者了解卫星的运行状态。 
　　 
　　卫星轨道参数 
　　 
　　 利用卫星跟踪软件对卫星运行轨道进行仿真，要求必须提供精确的在轨参数，这个参数称为Keplerian Elements（开普勒根数），简称“Keps根数”，它是以1600 年代初期的德国天文学家开普勒（Johannes Kepler，1571—1630）命名，以纪念这位伟大的科学家，最早用数学方式来描述人造卫星轨道。 
　　 现今的Keps根数是加拿大和美国合建的NORAD（North American Air Defense Command：北美防空联合司令部）用地面雷达测量出来的，此根数代表在某天瞬间时刻下，该卫星的位置与速度。NASA（National Aeronautics and Space Administration：美国国家航空航天局）网站通常会定期地公布NORAD提供的大部分卫星轨道参数资料，我们可以登陆网络获取最新的卫星Keps根数，配合卫星跟踪软件就能正确地计算出卫星经过的时间及方位。 
　　 
　　 1、Keps根数术语 
　　 衡量一颗卫星在轨状态的Keps根数有很多，如图1所示。 
　　 其中T0（Epoch time）为参数测试时间；M0（Mean anomaly）为平均近点角； N0（Mean action）为日环绕圈数；I0（Inclination）为倾角；E0（Eccentricity）为 偏心率；W0（Arg of perigee）为近地点幅角；O0（R.A.A.N）为升交点赤经；K0（Epoch revolution）为在轨圈数；A0（Semi-major Axis）为半长轴；Decay rate：衰减率。 
　　 
　　 2、Keps根数格式 
　　 我们使用的卫星轨道Keps根数文本文件主要有两种格式，一种是NASA的TLE格式，一种是AMSAT的描述型格式，此外还有OLE格式，但不太常用。 
　　 
　　 
　　 （1）TLE格式 
　　 采用TLE（Two-Line Element：两行根数）格式的结构如图2所示。 
　　 在TLE文件里，一颗卫星的Keps根数由0、1、2三行组成，其中第0行是一个最长为24字符的人造卫星通用名称。第1行和第2行是标准的两行式轨道数据格式，每行69个字符。其中“N”的位置只能是数字，“A”的位置只能是大写的“A～Z”，有“+”的位置表示负号（-）或空格，有负号（-）的位置可以是正号（+）或负号（-），有空格和“.”的位置表示本来的含义，每一列的具体意义如表1、2。 
　　 例如，以图2中例举的SINOSAT 3卫星来讲： 
　　 第1行的“31577U、07021A”和第2行的“31577”都是卫星编号，“31577”是NORAD编号，“07021A”是国际番号，“07151.95201997”是儒略日（Julian Day）计数，就是儒略历07年1月1日开始算起的151.95201997天，换算成具体日期就是5月31日22:50:55 时刻测试的，不过这是UTC（UTC： Universal Time Coordinated）通用协调时，它与格林威治平均时（GMT：Greenwich Mean Time）一样，都与英国伦敦的本地时相同。如果转换为北京时间，则需要加上在北京的时区差（＋8小时），即为6月1日06:50:55 时刻。“-0.00071063”是平均运动的一阶时间导数，“58219-6”是平均运动的二阶时间导数，“-68526-2”是BSTAR拖调制系数。 
　　 第2行的“25.0699”是卫星轨道倾角，由于还处在转移轨道上，倾角较大。对于同步轨道卫星来讲，正常工作时，倾角是接近于0的。“120.9702”是升交点赤经，“0. 7603587”是轨道偏心率，“179.8188”是近地点辐角，“181.6087”是平近点角，“1.91127924”是每天环绕圈数，“1”表示绕行为1圈，“3”为校验和。 
　　 有了以上这两行参数，特别是第2行参数，基本上就能够确定和描述一个卫星的轨道。

（2）AMSAT格式 
　　 世界业余卫星组织（AMSAT：Amateur Satellite）定义了一种描述型格式，即AMSAT格式，例如ISS（国际空间站）的TLE格式如下： 
　　ISS 
　　1 25544U 98067A 06196.69889642 .0002000000000-020000-3 09003 
　　2 2554451.630940.6041 001056180.8348 279.4011 15.76316196 37666 
　　 如采用AMSAT格式则有13行，如下表3所示。 
　　 
　　 （3）OLE格式 
　　OLE（One Line Element：一行根数）格式，用于海军卫星导航研究实验室或其它单位。由于省略掉轨道编号和国际编号等参数，从而使得格式简短，如图3所示。 
　　 采用OLE格式，如下表4所示。 
　　 
　　卫星跟踪软件 
　　 
　　 有了Keps根数文件，就可以安装卫星跟踪软件来实时显示和预测卫星的真实位置。以处理TLE格式数据为例， NORAD采用MSGP （Merged Simplified General Perturbations）通用轨道摄动根数描述集—－TLE对卫星的位置和速度进行预测，并用此方法建立了一个卫星数据库，管理和记录目前全世界所有已发射卫星的轨道Keps根数。 
　　 
　　 在MSGP中，分为SGP、SGP4、SGP8、SDP4、SDP8五个数学模型（mathimatical）计算，并把围绕轨道运行的飞行器分为两类，以适用不同的数学模型计算。 
　　 1、对于轨道周期小于614圈/天（225min）的近地轨道飞行器，使用SGP、SGP4、SGP8数学模型计算，并使用幂律分布函数计算大气阻力。 
　　 2、对于周期等于或大于225min的深空轨道飞行器，使用其扩展数学模型SDP4、SDP8计算，其算法是根据TLE数据提供的特殊平均轨道根数以及大气阻力系数，考虑了大气阻力、第三体引力、太阳光压等摄动的影响，采用平均的思想，将各类摄动分为周期项与长期项，推出解析解，最终递推得到新的轨道根数。 
　　 卫星跟踪软件严格遵循NORAD轨道位置的精确计算方法，所有使用该数学模型的卫星跟踪软件计算出的人造卫星的位置和速率，应与NORAD的结果完全吻合。 
　　
　　 例如，在2006年10月29日0时20分，我国第一颗广播电视直播卫星鑫诺2号，在西昌卫星发射中心用“长征3号乙”运载火箭发射升空，在之后的入轨期间内，所有关注卫星运行进展的卫视爱好者，除了上网查看有关网站上的消息外，就是通过卫星跟踪软件来预测卫星位置。与此同时，NORAD也每天及时地发布两次该卫星的轨道位置数据，使得互联网上的很多卫视爱好者能够运用相关的卫星跟踪软件来追踪鑫诺2号的变轨、定位状况，从而最早于该年的11月6日发布了鑫诺2号定位出现失误的消息，引起了国内卫视爱好者的关注和讨论。 
　　 NORAD也在其定位出现故障后的几天里，每天数据的更新率变成了罕有的三次，例如，在北京时间11月17日23:54:47公布的鑫诺2号的TLE参数如下： 
　　SINOSAT 2 
　　1 29516U 06048A 06321.66304547 -.00000241 00000-0 10000-3 0 249 
　　2 29516 000.3541 271.6594 0028352 147.6770 329.5314 01.00296377 253 
　　 从而引起了更多爱好者的猜测，直至鑫诺卫星通信公司于11月28日正式宣布，鑫诺2号卫星由于定点过程中出现技术故障，致使太阳帆板二次展开和通信天线展开未能完成，卫星无法提供通信广播传输服务，才结束了这场讨论。 
　　 
　　 
　　 从上面的事例可以看出卫星跟踪软件的作用，现在的卫星跟踪软件很多，DOS版本有Predict，Windows版本最著名的有Logsat、Nova for Windows等，不过大多数为共享或商业软件，而且均为外国人开发的软件，由于界面语言的障碍，一般用户会面临安装和使用上的困难，为此我们从中挑选出几款各具特色的、Windows版本下的免费软件，简洁地介绍给大家。 
　　 
　　 1、基于JavaScript的表示人造卫星位置的软件 
　　 进入日文网站http://homepage2.nifty.com/m_kam ... satellite/index.htm页面，就是【JavaScriptで人工衛星の位置を表示する】卫星跟踪软件界面，可以在线进行卫星运行状态查询。 
　　 （1）卫星选择 
　　 在图片界面上方的第2行，为跟踪卫星的选择栏，例如我们曾经查询“鑫诺2号”卫星，只要点击该行右边的“?茛”下拉菜单按钮（图4），选择“SINOSAT-2”即可出现以鑫诺2号卫星为主的卫星实时位置显示主界面。 
（2）功能显示选择 
　　 主界面上方的第1行，为功能显示选择栏，如图5所示，该界面是经IE浏览器内嵌【东方快车】日中翻译软件翻译后所截取的界面（注意：翻译不太准确，仅供参考），其中①～⑦为人为添加的编号。 
　　 选择①，显示地图功能；选择②，显示经纬网格线；选择③，显示地图边界线；选择④，添加卫星名称的文字标注；选择⑤，显示所跟踪卫星的时间；选择⑥，弹出所跟踪卫星的详细状态资料，如图6所示，显示鑫诺2号卫星TLE格式和AMSAT格式的Keps根数。 
　　 选择⑦，模拟卫星的实时跟踪，刷新时间可通过界面右下方的【动作间隔】里栏里选择。最右边为图片显示的分辨率，有640×400、800×500和1024×640三种模式，根据你的电脑屏幕分辩率的设置，选择与之适合的模式。 
　　 图片界面的下面的第1行，为实时跟踪时间显示，选择【自动更新】，可以进行网络校时，最右边为时区选择。界面的最下面为卫星种类图例，用各种颜色的图标显示国际空间站、气象卫星、地球资源卫星、静止通信卫星等各种功能和用途的卫星。 
　　 （3）关于JavaScript 
　　 JavaScriptで人工衛星の位置を表示する界面采用JavaScript语言，它是一种具有安全性能的脚本语言，此语言可嵌入或调入在标准的HTML文件中。使得信息和用户之间不仅只是一种显示和浏览的关系，而是实现了一种实时的、动态的、可交式的表达能力。这样静态的HTML页面就被可提供动态实时信息，并对客户操作进行反应的Web页面所取代。透过JavaScript语言，可以回应使用者的需求而不用网络来传回资料。也就是说，当一位使用者输入一项资料时，它不用经过传给服务器（server）处理再回传的过程，而是直接被客户端（client）的应用程式所处理。 
　　 正是由于JavaScript语言具有以上的特点，使得用户使用简单、方便，由于是在线使用，因此数据更新实时，不过该网站登陆比较困难，有时长时间不能进入。 
　　 
　　 2、Orbitron软件的安装和使用 
　　 Orbitron是为业余无线电爱好者和希望目测观察卫星的追星爱好者所设计的一款卫星追踪软件，该软件可同时追踪两千多颗卫星用实时或模拟方式显示任意时刻卫星与地球的相对位置。内置全球城市的资料库作为观测点的选择，并可通过NTP服务器自动校正电脑内部时钟，已被气象专家、卫星通信、UFO研究玩家和天文爱好者广泛采用。 
　　 （1）软件的下载和安装 
　　 Orbitron是由波兰的一个天文爱好者Sebastian Stoff（塞巴斯蒂安·斯托弗）先生所开发的卫星跟踪软件， 该软件属于Cardware（明信片软件），意思就是如果您觉得软件好用，并且想注册，支持作者的工作，那么就给作者寄一张有您当地风景的明信片。当然，如果是业余无线电爱好者（ HAM） 也可以寄去 QSL 卡片。 
　　 Orbitron软件最初为英文界面的版本，之后随着该软件知名度的提高，出现了许多其它国家的网友所编译的语言包，其中也包含由BD7CE （Lu Juhe）先生汉化的中文版本。安装时，首先到该作者的网站www.stoff.pl下载，网站采用英文界面，在其上方有一系列的国旗标志，点击我国的五星红旗链接，进入Orbitron 3.71简体中文版页面（图7），就可以下载中文语言包的安装版本。 
　　 下载软件完成后进行安装，安装起来比较简单， 默认安装即是中文，一路按回车键，直至安装完毕。 
　　 
　　 
　　 
　　 （2）TLE数据更新 
　　 安装完成后，会自动运行Orbitron软件，并且弹出是否更新星历参数的对话框，点击“确认”进行更新（图8）。 
　　 会弹出【设定】界面（图9），点击“取消”按钮，暂时不更新。 
　　 如果你需要查看近期发射的卫星参数，可点击图8界面右边的“载入星历”按钮，在弹出的【打开】界面中，选择“Tle”文件夹下的“tle-new”更新文件（图10）。 
　　 同样会弹出是否更新星历参数的对话框，点击“确认”进行更新。此时如果你的电脑已连接到网络上，会自动链接www.celestrak.com/NORAD/ 
　　elements/网页进行下载更新（图11）。由于数据包并不大，几分钟就会完成更新。 
　　 注意：初次使用时，此时你的电脑桌面处于被Orbitron软件界面所占用的全屏幕状态，要想进行其它工作，需要按动电脑键盘上的“Esc”键，在弹出的选项菜单栏里，去掉“全屏幕”前面的“√”，才能退出全屏幕状态。 
　　 （3）软件使用 
　　 在图8的主界面中，可以分为星历信息、菜单控制和主界面三个不同的窗口。 
　　 ①星历信息 
　　 Orbitron软件内置了很多卫星的星历，具体如表5所示，这也是Celestrak网站所发布的各种卫星的Keps根数。它不仅可以用来跟踪同步卫星，也可以用来跟踪一些特殊轨道的卫星，只要在星历信息窗口中，通过“载入星历”按钮选择所要观察的卫星，将其载入即可。

载入星历之后，可以点击“信息”按钮，得到卫星的一些具体的轨道参数。例如今年6月1日零时8分发射的鑫诺3号卫星，所有关注这颗卫星的朋友都可以用这个软件来了解该卫星的状况。我们只要选择“tle-new”文件，载入后，选择“SINOSAT 3”， 然后通过“信息”按钮，就可以查看该卫星目前所处的经度、纬度和一些其它的轨道位置数据（图12）。 
　　 
　　 
　　 ②菜单控制 
　　 在菜单控制里，有【主菜单】、【查看】、【地名】、【卫星及轨道信息】、【预测设定】、【预测】、【旋转器/电台】、【关于】八个功能选项。其中【查看】选项，可将各项功能显示在主画面上，如图12所示。在【地名】选项中，可以设置观察点的位置，将自己所处的位置设为观察的中心位置，便于观察卫星运行的轨迹。软件预置了世界上一些主要的大城市地理位置参数，包含我国省会以上的全部城市。例如我们观察点在南京，只要在【World】区域的下面找到“Nanjing”，点击它，再点击“选择”按钮，Nanjing就标注在地图上（图13），对于软件中没有预置的一些城市，可将获得的地理参数手动添加到左边的地名、经纬度栏目中，并点击“加到地名表”予以保存，以便下次方便调出。。 
　　 在【卫星及轨道信息】选项中，显示各个卫星的具体轨位信息，类似AMSAT格式的轨道参数描述，不过信息量更多，增加了半长轴、近地点×远地点、运转模式（SGP4/SDP4）等参数显示。 
　　 【预测设定】、【预测】和【旋转器/电台】主要为业余卫星通信之用，其中在【旋转器/电台】选项中（图14），内建CW、CW-N、FM、FM-N、FM-W、LSB、USB多种上传和下载模式，并支持Alarm、MyDDE、SpidAlfa和WispDDE驱动协议。 
　　 ③主界面 
　　 主界面可显示世界地图和雷达观察两种模式，当选择世界地图模式时，在设定观察点的位置和载入要观察的卫星之后，在中间的卫星轨迹观察窗口就可以看到卫星的实时运行轨迹。如果图12的【迷你雷达屏】选择为“自动”时，在主界面显示世界地图时，右下角会显示雷达观察的小画面。如图13就是载入的geo卫星系统中的鑫诺1号（SINOSAT 1）卫星的运行轨迹。 
　　 由于是地球同步卫星，从地面观察是静止不动的，所以它运行的轨迹是一个点。在图13中有黄色和灰色的两个星体，分别是太阳和月亮，相对应的灰色和亮色区域就是现在处在黑夜和白天的区域。再如图12鑫诺3号卫星，由于还在变轨状态中上，因此它的运行轨迹是一条曲线。除了在世界地图界面下观察卫星的轨迹，还可以切换到雷达界面下，看此时卫星的运行轨迹。 
　　 
　　 （4）组合键的使用 
　　 使用时，还可通过组合键进行一系列快捷设置。如用Ctrl＋Z组合键可以设置画面的更新率，有1、5、10、20、30、60秒六种，建议选择1秒，以便实时地观察星历信息窗口变化的数据。用Alt＋F5组合键可以调出设定界面，对软件原来设置的更新间隔为30天，可更改为1天，这样得到的数据比较及时。 
　　 用Alt＋F2组合键可以进行软件界面截图，图片保存在软件根目录下的Output文件夹中。对于所设置的观测卫星以及观测点，可通过Alt＋F7组合键，起一个文件名保存在软件根目录下的Config（配置）文件夹中，下次使用时，只要通过Alt＋F6组合键打开Config文件夹中的这个文件名，就可快速载入，无需要再重新设置。 
　　 使用Ctrl＋Shift＋～可在Orbitron主界面下打开秘密控制台（图15），输入“help”，可以得到Clear（清除）、Close（关闭）、GeoMag（地磁参量）、ShowLocs（显示）、Stat（统计）、Test（测试）、UserID（用户名）等多项有用命令。 
　　 Orbitron软件还具有电脑屏幕保护功能，只要点击桌面上的“Orbitron Screen Saver”图标，就会自动运行软件的屏幕保护程序。 
　　 
　　 3、SatBuster软件的安装和使用 
　　 SatBuster也是一款不错的卫星跟踪软件，它不但可以卫星的运行轨迹，还可以显示行星的位置参数，该软件最大的特点是具有卫星参数数据库管理和索引功能。目前SatBuster软件的最新版本为1.8版本，下载网址为http://www.satbuster.com/program/setup.exe。 
　　 （1）观测点设置 
　　 安装完成后，打开主界面，首先进行观察点设置，从【Options】（选项）→【Location】（位置），在Location区域里选择自己所在地城市位置（图16）。 
　　 SatBuster1.8版本软件预置的城市参数中，我国只有一个南京城市，对于其它的城市需要点击右边的“New”按钮，手动编辑城市名和经纬度，再添加预置列表中。 
　　 （2）TLE数据添加 
　　 SatBuster1.8版本软件未预置TLE数据，如果你的电脑里安装Orbitron之类的卫星跟踪软件，可以直接调用其TLE数据。通过【Satellite】（卫星）→【Database】（数据库）操作，打开tle、txt、els格式的Element set星历文件（图17）。 
　　 例如选择“geo” 星历文件，点击“打开”按钮，弹出如图18所示的【Satellite database】（卫星数据库）界面。我们可以看到上面的数据已导入到左边的主数据库内容栏中，将需要查看的卫星通过“→”传送到右边的次数据库的空白栏中，再点击“OK“即可。 

 
　　 如果电脑里没有TLE数据，需要先联网升级数据库，即点击图18左下角的“Download”按钮。出现【File transfer】（文件转换）界面（图19），实际上是一个数据库网络升级界面。在第一行右边的下拉按点击，选择需要升级的Keps数据文本文件，点击“OK”按钮，弹出需要保存的文件夹和文件名设置界面，建议在SatBuster软件根目录下新建一个Tle文件夹，用它保存Keps数据，文件名按照默认即可。 
　　 如果网络连接正常，界面上会出现下载进度指示条和数据，同时“OK”按钮颜色灰化，当“OK”按钮颜色恢复正常时，表示下载成功，再点击“Cancel”退出网络数据升级界面。 
　　 
　　 （3）TLE数据库使用 
　　 在图18中，围绕在内容栏是导入该数据库的一些信息统计。其中“Oldest element set”为最长未更新天数，“Mean element set”为平均未更新天数，“Newest element set”为最短未更新天数，“Magnitude”为可用肉眼或望远镜观测的卫星数量统计，“Loaded satellites”为导入卫星总数，“Selected”为选择卫星数，和下面的“Transiting”按钮相关联。 
　　 当点击“Transiting”按钮时，数据库可以统计并选择出当前所有以观测点为中心，处于地平面之上的卫星数量和名称。例如我们以南京为观测点，于2007年6月16日17时统计的处于地平面之上的地球同步卫星共有155颗。 
　　 对于于内容栏中的卫星列表，有不同类型的排列顺序，可点击“Ordered by”右边的选择栏的下拉菜单，有Name（名称）、Launch year（发射年份）、Inclination（倾角）、R.A.A.N（升交点赤经）、Period（min）（周期：运转一周所需要多少分钟）、Norad#（Norad编号）、Magnitude（可观测卫星）、 Eccentricity（偏心率）、Perigee arg（近地点幅角）和Orbit #/day（日环绕圈数）十种选项。 
　　
　　 如果需要查看某个卫星的具体轨位参数，可导入该卫星所在的星历文件，在内容栏中找到该卫星并双击它，就会弹出【Orbital elements】（轨道参数）界面，如图20所示的是鑫诺3号的轨道参数。 
　　 如果需要查看导入的该星历文件所有卫星参数信息，可点击图18中的“Summary”（摘要）按钮，出现主数据库摘要信息列表（图21），是上述各个类型排列选项的具体模式。 
　　 
　　 （4）快捷功能键使用 
　　 SatBuster软件在菜单栏下方的工具栏设置了21个快捷功能键图标，各个功能对照如图22所示，这样就无需进入菜单栏里多层菜单界面的繁琐设置，点击相应的功能键即可查询所需的功能。 
　　 ①轨迹显示 
　　 在功能键中，5－8为卫星的运行轨迹显示，例如选择6号正视图，出现我们上面导入到次数据库155颗卫星的轨迹显示（图23），由于大部分都是同步卫星，拥挤在赤道上空，因此我们无法看清楚卫星名。 
　　 如果我们选择几颗卫星，观测全景图，只要点击5号功能键，出现的清晰的世界地图全景图片（图24），如果将鼠标箭头停留在卫星所标注的小点上，会显示该卫星的Norad编号、倾角、在轨经度、卫星高度、绕行速度参数。点击这个小点，图片右边的界面会显示该卫星的更多参数。 
　　 ②卫星星历表 
　　 如果查询图24界面上所有卫星的在轨参数，可点击17号功能键，就会出现所选卫星的星历表（图25）。 
　　 在【Observer Parameters】（观测者参数）选项列表里，各个卫星的“El.”、“Az.”列数据也是卫星天线对星调整的仰角、方位角参数。注意：列表中的方位角是以正北方向为参考得出的数值，如果以正南方向作参考，需要减去180°，得出的数值为正值，表示南偏西；负值，表示南偏东。列表中的R.A.（right ascension）为赤经；Dec.（declination）为赤纬；Mag.（visual magnitude）为可观测卫星；State为观测状态，有visible（可观测）、not visible（不可观测）和shadow（阴影区）三种。 
　　 在【Orbital Parameters 1/2】和【Orbital Parameters 2/2】（轨道参数）选项列表里也列举了很多参数，有Lat.（纬度）、Lon.（经度）、Hgt（高度）、Prg（近地点距离）、Apg（远地点距离）、Prd.（轨道周期）、Vel.（卫星速度）、Orbit#（轨道编号）、Rng.（观测点和卫星间的距离）、Rng V. （距离变化范围）这些参数。在【Amateur Radio Parameters】（业余广播参数）选项列表里列举了Dnlink （下行频率）、Uplink （上行频率）、Rx.（接收频率）和Tx.（传送频率）四项参数。 
　　 ③保存功能 
　　 SatBuster软件免费版没有保存功能，无论是观测点的位置设置、数据的导入，还是选项设置都无法加以保存。软件提示只有注册版本才有保存功能。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。