CC BY
1
УДК 52-323.8
ПРОГРАММА ReshUOrbit ДЛЯ АНАЛИЗА ПОЛОЖЕНИЯ СПУТНИКОВ
П. Н. Веревкин*, М. М. Лукьянов, Д. Д. Макаров Научный руководитель-Д. М. Зуев
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: sib.quantum@mail.ru
В данной работе рассматривается программа ReshUOrbit,созданная на базе Python-библиотеки Astropy. Программа ReshUOrbit определяет положение спутника за выбранный промежуток времени по данным TLE, которые загружаются через базы данных с сайта space-track.org.
Ключевые слова:ReshUcube, программа ReshUOrbit, положение спутника, получение TLE, высота спутника.
THE ReshUOrbit PROGRAM FOR SATELLITE POSITION ANALYSIS
P. N. Verevkin*, M. M. Lukyanov, D. D. Makarov Scientific supervisor -D. M. Zuev
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: sib.quantum@mail.ru
In this paper, we consider the ReshUOrbit program, created on the basis of Astropy Python library. ReshUOrbit program determines the position of a satellite for a selected period of time according to TLE data, which are downloaded through databases from the site space-track.org.
Keywords: ReshUcube, ReshUOrbit program, satellite position, TLE acquisition, satellite height.
Введение. В настоящее время значимая часть космических миссий требует определённого положения спутника на орбите. В баллистическом проектировании, разработчик должен предусмотреть своевременное сведение аппарата с орбиты для предотвращения роста количества космического мусора. Не менее важно сопоставление результатов теоретического орбитального анализа с экспериментальными данными. Это сравнение может быть проведено посредством набора TLE.
Общая теория. Модель SGP4 [1] используется для определения положения спутников на околоземной орбите и для нее определяют 6 кеплеровских элементов орбиты: большая полуось, эксцентриситет, наклонение, долгота восходящего узла, аргумент перицентра, средняя аномалия.
Орбитальные параметры представляют в двухстрочном наборе элементов TLE [2]. В формате TLE, кроме перечисленных кеплеровских параметров орбиты важным параметром является время эпохи. Время эпохи — это момент времени, когда со спутника были получены последние данные о его положении. МодельSGP4позволяет точно предсказывать положение спутника на ближайшие 2 недели со времени эпохи. Поэтому необходимо получение актуальных данных TLE, соответствующих выбранному диапазону наблюдения, этим занимаются наземные станции.
Таким образом, модель SGP4 дает возможность определять положение спутников на низкой околоземной орбите. Для определения высоты спутника малых космических
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 2
аппаратов была написана программа ReshUOrbit^ которой вышеописанная теория запрограммирована в готовых python-библиотеках.
Программная реализация. Программа ReshUOrbit написана на языке python-3 и является кроссплатформенной. Для удобства использования написан графический интерфейс на базе библиотеки wx python. Также для ReshUOrbit написано руководство пользователя и описана установка через Anaconda.
Рассмотрим реализацию программы ReshUOrbit. В программе на данный момент есть 2 модуля: модуль получения TLE и модуль расчёта положения спутника.
Первый модуль позволяет получать данные TLE за определенный промежуток времени полета спутника с сайта space-track.org. Отправляется специальный запрос на сайт под своим логином и паролем для определенного идентификатора спутника, а после принимаются данные, которые находятся системой сайта. В данном модуле в основном используются python-библиотека от сайта space-track.org, которая называется spacetrack [3].
Второй модуль проводит расчеты по полученным данным TLE. В этом модуле задаются параметры промежутка времени для расчета положения спутника и выбирается количество точек на промежутке. После проведения расчетов данный модуль сохраняет рассчитанные данные в файл двух форматов: *.csvи *.xlsx. В таких таблицах содержатся следующие данные о положении спутника: дата в формате UTC, высота, угол места, азимут, дистанция до спутника от точки наблюдения на Земле, широта, долгота, декартовы геоцентрические координаты, скорость в декартовой системе. Посредством кеплеровских элементов орбиты сначала производится вычисление координат положения спутника в абсолютной геоцентрической экваториальной системе TEME [4]. Из координатTEME в программе осуществляется переход в сферическую систему координат ITRS [5] и вычисляется долгота, широта и высота. В данном модуле в основном используются python-библиотека Astropy [6].
Вид графического интерфейса модуля 1 и 2 приведен на рисунке 1.
ИЗ Программа ReshUOrbit version^.0.0 — □ X
Пом ощь
Модуль 1 Модуль 2
Данный модуль позволяет производить скачивание данных TLE с сайта SpaceTrack.org
Введите логин с сайта SpaceTrack
Введите пароль с сайта SpaceTrack
Введите ¡с! спутника Т1Е данные которого желаете получить. Пример ввода: 40427
Введите начальную дату, Пример ввода: 2000-1-1 00:00:00
Введите конечную дату. Пример ввода: 2020-1-1 00:00:00
Указать папку куда сохранить файл .txt сданными TLE спутника
Обзор
Получить данные
■' Программа Яе5Ии0гЬ№уег5юп=1.0,0 — □ X
Помощь
Модуль 1 Модуль 2
Данный модуль позволяет рассчитать высоту спутника на орбите в определенный момент времени
Выберите файл ,b<t с данными TLE в обозревателе
Обзор
Максимальная эпоха TLEспутника. Выберите файл ,txt сданными TLE в обозревателе.
Минимальная эпоха TLE спутника. Выберите файл .txt сданными TLE в обозревателе
Напишите точку наблюдения, Пример ввода координат Красноярска: 95.0491, 56,029, 2S7
Введите начальную дату, Пример ввода: 2000-1-1 00:00:00
Введите конечную дату, Пример ввода: 2020-1-1 00:00:00
Введите период между точками. Пример ввода: 0:00:00:00
Здесь ведется расчет количества точек (зависит от начальной и конечной даты, и периода)
Выберите папку для сохранения графиков и excel файла сданными.
Обзор
Выполнить программу
а о
Рис. 1. Графический интерфейс ReshUOrbit: а)1 модуль загрузки TLE; б) 2 модуль расчёта положения
спутника
Пример работы программы. Модуль 2 также строит и сохраняет графики зависимости высоты от времени полета спутника и отмечает точками на карте мира положение спутника над Землей. Для построения изображений используются библиотеки matplotlibи basemap. Данная функция сделана, чтобы быстро оценить полученные данные. Взамен этой функции можно взять данные из сохраненных таблиц с данными о положении спутника и построить
графики так, как это необходимо пользователю. Пример графика высот и положения на карте мира для спутника «NODES 1» приведены на рисунке 2.
Высота спутника над уровнем норн
3S0
х
я' 300 m 250 200
tQV" ¿Г ^ -jtiV' ^
я ЦТС
Высота спутника над уровнем мори
11 И i ш
I* •• ' 2* 55 •• •• *
• 1 i
WfWm
фр 4Г
' „4'fc Л-4 -ч-1
nO Л№
Ф Ф <Р Ф'
1 1M*W lí^W «41 Mlrt WW О* »4 M'f »4E 1J44E
Рис. 2. Графики для спутника «NODES 1» получаемые с модуля 2 программы ReshUOrbit: а) Изменение высоты для всего времени жизни спутника; б) Пример изменения высоты в течении дня для даты 05.20.2016; в) Положение на карте мира для спутника «NODES 1» для даты 05.20.2016
В будущем планируется использование программы Reshucube для анализа движения школьного спутника ReshUcube [7]. Также планируется модернизация программы, например, планируется написание модуля 3, который будет помогать пользователю графически отображать положение спутника на орбите в 3-х мерном виде.
Таким образом, программа ReshUOrbit имеет функционал, состоящий из двух модулей и может использоваться как в научных, так и в образовательных целях. В образовательных целях планируется работа со школьниками в проведении эксперимента по определению положения спутника Reshucube.
Работа выполнена при поддержке Фонда содействия инновациям в рамках программы «Дежурный по планете» (Space Pi) 5-ой очереди. Проект «Космическая миссия ReshUCube», договор № 43С2/МОЛ/66974 от 13.04.2021.
Библиографические ссылки
1. Чагина В. А., Гришко Д. А., Майорова В. И. Расчёт движения космического аппарата на около круговой орбите по данным TLE по упрощённой модели SGP //Наука и образование: научное издание./ МГТУим. Н.Э. Баумана. Москва, 2016. № 1. С. 52—66.
2.NORAD Two-Line Element Set Format [Электронный ресурс]. URL: http://celestrak.com/NORAD/documentation/tle-fmt.php (дата обращения 18.04.2022).
3. Spacetrack module [Электронныйресурс]. URL: https://github.com/python-astrodynamics/spacetrack(дата обращения 18.04.2022).
4. TEME [Электронныйресурс]. URL: https://docs.astropy.org/en/stable/api/ astropy.coordinates.builtin_frames.TEME.html# (дата обращения 18.04.2022).
5. ITRS[Электронныйресурс]. URL: https://www.iers.org/IERS/EN/Science/ITRS/ITRS.html (дата обращения 18.04.2022).
6. Документация Astropy [Электронный ресурс]. URL: https://docs.astropy.org/en /stable/index.html (дата обращения 18.04.2022).
7. ХановВ. Х., ЗуевД. М.,ШахматовА. В. Реализации полезной нагрузки наноспутника ReshUCube как реконфигурируемой космической лаборатории // Решетневские чтения: материалы XXV Междунар. науч. конф. (10—12 ноября 2021, г. Красноярск) : в 2 ч. /СибГУ им. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2021. С. 418-419.
© Веревкин П. Н., Лукьянов М. М., Макаров Д. Д., 2022
