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戏说两行根数及其八卦

已有 12301 次阅读 2010-1-8 21:07 |个人分类:行业趣闻|系统分类:科普集锦| 两行根数, NORAD, SGP4, 空间碎片

本文来自于个人立场,是一家之言,有不对的地方,请看官“尽到提醒的义务”,多加指正。
 
概述:SSN 空间监视网络简介(来自网络信息);
 
TLE-SGP 体系的简介(来自网络信息与公共文献资料);
 
个人看法(个人观点);
 
行业八卦(最不靠谱的部分)。
 
1, Space Surveillance Network
 
(这一部分详见 en.wikipedia.org 的 'United States Space Surveillance Network' 条目)
http://en.wikipedia.org/wiki/United_States_Space_Surveillance_Network
 
顾名思义,空间监视网络就是监视空间的。美国SSN的任务是探测、跟踪、编目和识别围绕地球运行的各种人造物体,如:好坏卫星,用过的火箭体和前两者破裂产生的碎片。防止轨道物体再入引发反导系统的误警报,为将来的反卫星武器提供制导和损害评估。探测手段是在世界范围内利用专用的、附属的和雇佣的光电、被动射频和雷达设施组成网络。
 
苏联在1957年发射的人造卫星引起了“美帝国主义的恐慌”。虽然此时美国也在研究人造卫星和近地轨道跟踪的技术,但是在Sputnik I 上的实践表明当时的系统minitrack 不可靠,因为它只能跟踪那些发射合作频率的无线电信号的卫星(其实是为美国自己的首发卫星Vanguard准备的),而Sputnik I 没有使用合作频率。实践是检验真理的唯一标准。
 
之后,美帝国主义痛定思痛,经过周密计划和反复试验,最终形成了多手段,多基地,全球性,天地结合的观测网。
 
2 TLE+SGP
 
现在进入正题。观测问题有钱就能解决,数据处理又成了难题。观测到卫星的瞬时位置和速度,理论上讲可以计入所有已知摄动力,(数值)积分动力学方程,算出该卫星的星历。但是由于计算能力的限制,这样很困难。(还记得吗,ENIAC最初是为了计算炮弹在空气中飞行的落点?那也是要积分的。)如果不管摄动力,则早就有二体运动方程的解,可以仅用6个轨道根数代表,但是精度又太差。
 
折中的办法是,选择摄动力中主要的几项,想办法求出解析解,构造无需积分的星历算法,这样就在速度和精度之间找到了平衡。减少了考虑的摄动力的个数,这就叫做“简化摄动”。因为它试图适用于所有轨道物体,所以叫做“简化一般摄动”-Simplified General Perturbation.
 
使用SGP模型,卫星轨道信息只用一组六个“根数”就可确定;模型中并另附一个Bstar数,是吸收误差的经验项。
 
历元时刻,等价的六个根数,Bstar。这就是NORAD elements, 因为每条记录占两行,每行69列,所以又叫做两行根数,Two Line Elements.
 
    SGP
    Hilton, C.G. and Kuhlman, J.R., “Mathematical Models for the Space Defense Center”, Philco-Ford Publication No. U-3871, 17—28, November 1966
 
一直以来,大气阻力总是近地轨道上最令人头痛的摄动力,因为顶层大气十分复杂,分布不均匀,流动也难说规律,最要命的是几乎没办法实测它。SGP所采用的阻力模型表现不佳,所以SGP的精度也不高。在1965年,Lane 发表了针对球对称-指数密度大气(名字虽长,却是一个非常简单的大气模型)的卫星运动解析解。1969年,Lane and Cranford 又在此基础上加入直到5阶带谐项摄动力(就是考虑地球不是很圆的情况)。Hoots 与Lane 合作,从模型中提炼出算法,发表于1979年。
 
    SGP4
    Lane, M.H. and Hoots, F.R., “General Perturbations Theories Derived from the 1965 Lane Drag Theory”, Project Space Track Report No. 2, December 1979, Aerospace Defense Command, Peterson AFB, CO.
 
同年,Hujsak 发表了考虑日、月和非球形地球共同作用下卫星在“共振”轨道上运动的“限制性四体问题”的(解析)解。(第四体是地球非球形部分。)这解决了长周期轨道(远地轨道,“深空”轨道)的共振问题。
 
    [Deep Space Routine]
    Hujsak, R.S., “A Restricted Four Body Solution for Resonating Satellites with an Oblate Earth” AIAA Paper No. 79-136, June 1979.
 
1980年,Hoots 对去年的成果经过一番揉搓(主要是换用另一种积分手法),独自发表了与SGP4完全等价的“新”理论。
 
    SGP8
    Hoots, F.R. (1980), “A Short, Efficient Analytical Satellite Theory”. AIAA Paper No. 80-1659
 
在1980年年底,(不觉得有点匆忙吗?)Hoots and Roehrich 总结上述结果,发表了全套算法(SGP,SGP4,SDP4,SGP8,SDP8),确立了官方标准。其中:
 
SGP和SGP4是不同的模型,SGP4和SGP8是同一模型的不同实现,Deep Space Routine 以增强件形式加到后两者上。
 
    SGP is alone.
    SGP4 + DeepSpace = SDP4
    SGP8 + DeepSpace = SDP8
 
著名的STR#3就这样出炉了。
 
    Hoots, Felix R., and R. L. Roehrich. 1980. “Spacetrack Report #3: Models for Propagation of the NORAD Element Sets”.U.S. Air Force Aerospace Defense Command, Colorado Springs, CO.
 
3.个人看法
 
 在那个年代,存储空间和机时是昂贵的。有全球观测网络的支持,TLE-SGP结合达到的定轨-预报精度可达到公里量级,是一种了不起的成就。这个精度对于反导任务来说是完全足够的,在当时的空间环境下进行常规的碰撞规避也是够用的。计算机发展到今天,基于TLE-SGP的全局的碰撞预警甚至能够在一台微机上运行(SOCRATES)。这实在是一种了不起的成就。
 
但是,我们应当看到,这套体系,往小了说已经年届三十,往大了说,它用的还是1965年的静态球对称大气的模型,已经十分陈旧,不可能再通过修修补补来提高精度了。实践中,基于它的SOCRATES发出的碰撞预警难辨真假,卫星管理人员不愿采信,以致于发生了美苏卫星相撞的事件。有人称这是亿万分之一(或者类似说法)的可能,但是要知道,LEO is a jungle. 在低轨道上,每天有无数对物体相互擦肩而过,同时由于大气阻力的影响,要确定其轨道绝非易事。纵使单个碰撞事件确实稀有,试验如此多次之后就成为必然。事实上,有据可查的碎片相撞已发生多次,有SOCRATES为证。
 
在空间碎片问题上,也说说小美的两面派做法。
 
一方面,在美苏太空的时代,两家争先恐后发射卫星,近地空间拥挤的现状多是那时造成的,只是这个问题当时还不为国际所关注。现在中国在空间日渐活跃,小美就打出空间碎片的牌来制造舆论,意图推动技术要求十分苛刻的太空利用新国际标准,包括发射过程的碎片控制,失效载荷的处理措施等等,就像国际贸易的环保壁垒一样,想以此打压中国等发展中国家利用太空的努力。小美打得最响的牌是风云1C反卫星实验事件,据报道此实验产生了一万多个碎片;两年过去了,现在驻留在轨道的不过几千。而且这种实验,美国军方应该也是进行过的,但是难觅证据。这就是说,美国人在空间技术发展阶段留下的烂摊子想让大家分享,这是很不公平的[注1]。
 
另一方面,美国人(NASA,AFSPC,NORAD)开发了更新、更精确,适合当今时代的up to date 的算法和软件之后,把30年前的旧货色抛给刚刚入行的第三世界空间技术学人。基于TLE-SGP的研究,围绕着collision avoidance等热门方向生成了蒸蒸日上的泡沫。可是,这也是没有办法的事情,因为TLE背后是唯一的全球性观测网以及大量的观测数据。我们必须看到,不能依赖美国人抛给的旧货色,要研发自己的解析/半解析定轨软件,建立自己的空间监视网络。太空俱乐部的后起之秀应当联合起来共同打破这一垄断。
 
4.行业八卦
 
有一个公司名叫AGI,它旗下有四个域名,分别是 agi.com, stk.com, celestrak.com, centerforspace.com 。
 
其中 stk是该公司的主打产品,是类似于MSwindows和MSoffice那样的“绅士淑女”软件,很受不想编程的人们所欢迎。它所用的轨道预报算法就是基于TLE-SGP体系。
 
这一套东西不可能讨真正懂行的人们喜欢,因此为了制造舆论和氛围,celestrak.com 发布了很多基于SGP4的论文和源代码,还提供TLE数据库的镜像。主力干将V某,A某,K某装作牛人,频繁参加学术会议,每会必到,为的就是扩大影响力,忽悠行业中的新手,为产品推广作准备。
 
centerforspace.com 是agi资助的机构CSSI(center for space standard and innovation)的网站,它的名字看似官方机构,其实是民科。当然,实践证明他们发表的结果是对的,代码也是能用的;用于发发论文繁荣学术再好不过,如果要付诸长期的实用则还请三思而行。
 
 
 
结 戏说只是戏说
 
作者声明:以上所述及个人、团体、机构名称均为化名,如有雷同纯属巧合!本文仅供娱乐,作者不对以上内容的真实性/可重复性/可验证性负任何直接或间接责任!

(2012.03.02增补)------------------------------------------------------------


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