卫星跟踪：综合指南

准确跟踪卫星的能力对于广泛的应用至关重要，从确保空间操作的安全到支持科学研究和通信。本指南全面概述了卫星跟踪的方法、技术及其在现代太空领域的重要性。对于任何参与空间探索、卫星通信或空间态势感知 (SSA) 的人来说，理解这些方法都是必不可少的。

为什么要跟踪卫星？

卫星跟踪不仅仅是知道卫星的位置；它还是以下方面的关键组成部分：

• 碰撞规避： 随着轨道上卫星和空间碎片的数量不断增加，跟踪使操作员能够预测和避免潜在的碰撞，防止可能产生更多碎片的灾难性事件。
• 任务规划： 准确的跟踪数据对于规划卫星机动、优化通信窗口和安排地球观测活动至关重要。
• 空间态势感知 (SSA)： 跟踪有助于更广泛地了解空间环境，包括轨道上所有物体的位置和行为。
• 科学研究： 跟踪数据可用于研究轨道力学、改进轨道确定模型，以及对地球大气层和引力场进行研究。
• 保护资产： 了解卫星的位置和轨迹，可以保护其免受潜在威胁，包括蓄意干扰。
• 执行空间法律和条约： 跟踪有助于监督和核实对国际空间法律和条约的遵守情况。

卫星轨道基础

在深入探讨具体的跟踪方法之前，了解卫星轨道的基础知识非常重要。卫星围绕地球的轨道遵循由开普勒行星运动定律和牛顿万有引力定律支配的可预测路径。这些定律描述了轨道的形状（椭圆形）、卫星的速度（离地球越近速度越快），以及轨道周期与轨道大小之间的关系。

几个轨道参数定义了卫星轨道的形状和方向：

• 半长轴 (a)： 椭圆轨道最长直径的一半。
• 偏心率 (e)： 描述椭圆的形状（圆形为0，高度拉长的椭圆接近1）。
• 轨道倾角 (i)： 轨道平面与地球赤道之间的夹角。
• 升交点赤经 (Ω)： 春分点与轨道从南向北穿过赤道的点之间的夹角。
• 近地点幅角 (ω)： 升交点与最接近地球的点（近地点）之间的夹角。
• 真近点角 (ν)： 近地点与卫星当前位置之间的夹角。

这些参数连同历元（参数有效的时间），完整地描述了卫星在给定时刻的轨道。两行轨道根数集 (TLE) 是表示这些轨道参数的常用格式，并被广泛用于预测卫星位置。

卫星跟踪方法

有多种方法用于跟踪卫星，每种方法都有其优点和局限性。这些方法可以大致分为：

• 雷达跟踪
• 光学跟踪
• 遥测跟踪
• 干涉测量法
• 激光测距 (SLR)

雷达跟踪

雷达（无线电探测和测距）是广泛用于卫星跟踪的方法，特别是对于近地轨道 (LEO) 上的物体。雷达系统发射无线电波并探测从卫星反射回来的信号。通过测量反射信号的时间延迟和频率偏移，雷达可以确定卫星的距离、速度和位置。

雷达系统的类型：

• 地基雷达： 位于地球表面的这些雷达可以在卫星飞过头顶时进行跟踪。例子包括美国空间监视网络 (SSN) 的雷达以及其他国家运营的雷达，如欧洲的 EISCAT 雷达和日本宇宙警戒协会的雷达。
• 天基雷达： 在地球轨道上运行的这些雷达具有更宽的视野，可以跟踪不同轨道平面上的卫星。例子包括用于 SSA 研究的卫星上的实验性雷达有效载荷。
• 相控阵雷达： 这些先进的雷达系统使用多个天线以电子方式控制雷达波束，从而可以快速扫描天空并同时跟踪多个物体。

雷达跟踪的优势：

• 全天候能力： 雷达可以在所有天气条件下运行，包括云层和黑暗。
• 远距离： 强大的雷达系统可以跟踪远距离的卫星。
• 精确的距离和速度测量： 雷达提供精确的距离和速度测量，这对于轨道确定至关重要。

雷达跟踪的劣势：

• 角分辨率有限： 与光学跟踪相比，雷达的角分辨率较低，这使得跟踪小物或分辨紧密间隔的物体更具挑战性。
• 功率要求： 雷达系统需要大量功率才能运行，特别是对于远程跟踪。
• 杂波和干扰： 雷达信号可能受到地面杂波、大气干扰和蓄意干扰的影响。

示例： 美国空间监视网络 (SSN) 是一个由雷达和光学传感器组成的全球网络，跟踪轨道上超过 20,000 个物体。SSN 使用诸如周界捕获雷达攻击特征描述系统 (PARCS) 和空间篱笆等雷达系统来监视卫星和空间碎片。

光学跟踪

光学跟踪涉及使用望远镜和相机来观察和跟踪卫星。光学传感器测量卫星相对于背景恒星的角位置。这些测量结果与精确的时间数据相结合，用于确定卫星的轨道。

光学跟踪系统的类型：

• 地基望远镜： 这些望远镜的范围从小型自动化望远镜到大型研究级天文台。例子包括位于西班牙特内里费的欧空局光学地面站，以及由美国空军运营的 GEODSS（地基光电深空监视）站点。
• 天基望远镜： 像哈勃太空望远镜和专用的 SSA 望远镜这样的轨道望远镜可以提供无障碍的空间视野，并可以跟踪难以从地面观测的卫星。
• 光电 (EO) 传感器： 这些传感器使用诸如 CCD（电荷耦合器件）或 CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器之类的电子探测器来捕捉卫星的图像。

光学跟踪的优势：

• 高角分辨率： 光学望远镜提供高角分辨率，允许跟踪小物和分辨紧密间隔的物体。
• 被动传感： 光学跟踪是一种被动传感技术，意味着它不发射任何可能干扰其他卫星或被对手探测到的信号。
• 对较小物体具有成本效益： 可以使用相对较小的望远镜来跟踪物体，为 SSA 提供了一种经济高效的解决方案。

光学跟踪的劣势：

• 依赖天气： 光学跟踪受限于云、雨、雾等天气条件。
• 白天的限制： 地基光学跟踪通常仅限于夜间观测，尽管可以使用专门技术在黄昏时段跟踪卫星。
• 大气效应： 地球大气层会扭曲图像，降低光学跟踪测量的准确性。可以使用自适应光学技术来减轻这些影响。

示例： 空间监视望远镜 (SST) 是由美国空军开发的一种地基光学望远镜，用于探测和跟踪深空中的小物。SST 具有宽视场，并能快速扫描大片天空区域。

遥测跟踪

遥测跟踪依赖于接收和分析卫星自身发射的无线电信号。这些信号包含有关卫星健康状况、状态和位置的数据。通过监测这些信号，地面站可以跟踪卫星并评估其性能。

遥测跟踪的组成部分：

• 卫星发射器： 卫星配备有向地面站广播遥测数据的发射器。
• 地面站： 带有大型天线的地面站接收并处理遥测信号。这些站点通常是全球网络的一部分，例如美国国家航空航天局深空网络 (DSN) 或欧洲空间跟踪 (ESTRACK) 网络。
• 信号处理： 对接收到的信号进行处理，以提取遥测数据，其中包括有关卫星位置、姿态、温度、功率水平和其他参数的信息。

遥测跟踪的优势：

• 直接测量卫星位置： 遥测数据通常包括卫星位置的直接测量值，这些数据从 GPS 或星跟踪器等机载导航系统获得。
• 持续监控： 遥测跟踪提供对卫星健康和状态的持续监控，使操作员能够实时检测和响应异常情况。
• 高精度： 遥测数据可以提供非常精确的位置信息，特别是当与其他跟踪方法结合使用时。

遥测跟踪的劣势：

• 依赖卫星合作： 遥测跟踪依赖于卫星发射信号，如果卫星出现故障或操作员故意禁用发射器，这可能无法实现。
• 覆盖范围有限： 地面站的覆盖区域有限，因此卫星可能并非总是在地面站的范围内。
• 易受干扰： 遥测信号可能受到其他无线电来源的干扰。

示例： 美国国家航空航天局深空网络 (DSN) 是一个由大型天线组成的全球网络，支持行星际航天器任务。DSN 通过接收和分析航天器的遥测信号来跟踪它们，为导航和任务操作提供关键数据。

干涉测量法

干涉测量法结合来自多个天线的信号，以实现比单个天线所能提供的更高角分辨率。该技术通过测量在不同天线接收到的信号的到达时间或相位的差异来跟踪卫星。

干涉仪的类型：

• 射电干涉仪： 这些干涉仪使用无线电波来跟踪卫星。例子包括美国的甚大天线阵 (VLA) 和智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列 (ALMA)。
• 光学干涉仪： 这些干涉仪使用可见光来跟踪卫星。由于光的波长较短，光学干涉测量比射电干涉测量更具挑战性，但它可以提供非常高的角分辨率。

干涉测量法的优势：

• 高角分辨率： 干涉测量法提供非常高的角分辨率，允许跟踪小物和分辨紧密间隔的物体。
• 提高准确性： 通过结合来自多个天线的信号，干涉测量法可以提高卫星跟踪测量的准确性。

干涉测量法的劣势：

• 系统复杂： 干涉仪是建造和操作复杂且昂贵的系统。
• 数据处理： 干涉测量法需要复杂的数据处理技术来结合来自多个天线的信号。
• 对大气效应敏感： 大气湍流会影响干涉测量测量的准确性，尤其是在光学波长下。

示例： 甚长基线阵列 (VLBA) 是一个遍布美国的射电望远镜网络。VLBA 用于以非常高的精度跟踪卫星和其他天体。

卫星激光测距 (SLR)

卫星激光测距 (SLR) 是一种用于确定地面站和卫星之间距离的高精度技术。SLR 站向装有后向反射器的卫星发射短脉冲激光。后向反射器将激光反射回地面站，然后测量光线往返卫星所需的时间。这个时间测量值与光速相结合，用于计算到卫星的距离。

SLR 系统的组成部分：

• 激光发射器： 激光发射器产生短脉冲激光。
• 望远镜： 望远镜用于将激光束对准卫星并收集反射光。
• 后向反射器： 卫星配备有后向反射器，这是一种特殊的镜子，可以将光线沿其来源方向反射回去。
• 计时系统： 计时系统以非常高的精度测量激光往返卫星所需的时间。

SLR 的优势：

• 高精度： SLR 是确定卫星距离最精确的方法之一，精度可达几毫米。
• 不依赖卫星合作： SLR 不依赖卫星发射信号，因此可用于跟踪非合作卫星或空间碎片。
• 校准其他跟踪系统： SLR 数据可用于校准和验证其他卫星跟踪系统，如雷达和光学望远镜。

SLR 的劣势：

• 依赖天气： SLR 受限于云、雨、雾等天气条件。
• 卫星数量有限： 只有配备后向反射器的卫星才能被 SLR 跟踪。
• 成本高昂： SLR 站的建造和运营成本很高。

示例： 国际激光测距服务组织 (ILRS) 是一个由 SLR 站组成的全球网络，为科学和大地测量目的跟踪卫星。ILRS 为轨道确定、地球自转研究和海平面变化监测提供数据。

轨道确定与预测

从卫星跟踪方法获得的数据用于确定和预测卫星轨道。轨道确定涉及基于跟踪测量估计卫星的轨道参数。轨道预测则涉及使用这些参数来计算卫星的未来位置。

轨道确定和预测的技术：

• 批量最小二乘法： 这是一种经典的轨道确定方法，通过最小化观测到的跟踪测量值与轨道模型预测值之间的差异来实现。
• 序贯滤波： 该方法使用卡尔曼滤波器递归地估计轨道参数，每次接收到新的跟踪测量时都会更新估计值。
• 特殊摄动： 这些方法使用数值积分来传播卫星的轨道，同时考虑到各种摄动的影响，如地球的非球形引力场、大气阻力和太阳辐射压力。
• 一般摄动： 这些方法使用解析近似来模拟摄动对卫星轨道的影响。

卫星跟踪的挑战

卫星跟踪面临几个挑战：

• 空间碎片： 轨道上日益增多的空间碎片对运行中的卫星构成重大威胁。由于其体积小、形状不规则和轨迹不可预测，跟踪空间碎片具有挑战性。
• 小卫星： 诸如立方星 (CubeSats) 之类的小卫星的激增，使得跟踪轨道上所有物体变得更加困难。
• 机动卫星： 频繁进行机动的卫星难以跟踪，因为它们的轨道在不断变化。
• 非合作卫星： 跟踪非合作卫星，如报废卫星或间谍卫星，具有挑战性，因为它们不传输遥测数据。
• 大气效应： 地球大气层会扭曲光学和雷达信号，降低卫星跟踪测量的准确性。
• 数据融合： 结合来自不同跟踪传感器的数据以提高轨道确定的准确性和可靠性是一项复杂而具有挑战性的任务。

卫星跟踪的未来

卫星跟踪的未来可能涉及开发更先进的跟踪技术，例如：

• 先进雷达系统： 更强大、更灵敏、角分辨率更高的雷达系统。
• 天基传感器： 增加天基雷达和光学传感器的部署，以持续监控空间环境。
• 人工智能 (AI) 和机器学习 (ML)： 用于自动跟踪、轨道确定和异常检测的 AI 和 ML 算法。
• 改进的数据融合技术： 更复杂的技术，用于结合来自不同传感器的数据，以提高轨道确定的准确性和可靠性。
• 全球合作： 加强国际合作和数据共享，以提高空间态势感知能力。

结论

卫星跟踪是确保空间操作安全和可持续性的关键能力。通过了解各种跟踪方法、技术和挑战，我们可以更好地保护我们的空间资产，支持科学研究，并促进对空间环境的负责任使用。随着轨道上卫星和空间碎片的数量持续增长，卫星跟踪的重要性在未来几年只会增加。持续投资于先进跟踪技术的研究和开发对于为所有人维持一个安全和可持续的空间环境至关重要。