空间目标轨道分布特性分析实验报告
一、实验目的
1、了解空间目标轨道分布规律；
2、掌握TLE数据格式分析方法；
3、掌握空间目标高度分布特性分析方法与过程。
二、实验环境
Matlab或C语言
三、实验原理
1、空间目标及其分布
空间目标广义是指离地球表面120公里以外空间的所有目标，包括自然天体和人造天体。本研究报告中的空间目标系指环绕在地球周围数万公里内的人造天体，包括卫星、平台和运载，以及上述目标解体后形成的空间碎片。对这些人造目标进行监视属空间目标监视系统的范畴。
根据有关研究，环绕地球的空间目标数目大约为35,000,000，其中大小在1～10cm的约110,000个，大于10cm的在8000个以上。目前美国空间目标监视系统可对30cm以上的空间目标进行例行的日常观测，对10cm以上的目标可能观测到，但不能保证例行的日常跟踪。上述空间目标中，到2008年8月24日，被美国空间目标监视系统编目过的空间目标数目为33311个，其中21597个已经陨落，11714个仍在轨。
空间目标都有一定大小、形状，运行在一定轨道上，使得每一空间目标都有其独特的轨道特性、几何特性和物理特性。这些特性奠定了对空间目标进行定轨和识别的基础，尤其是在用航天器一般都有特定的外形、稳定的轨道、姿态、温度等特性，是空间目标识别的主要技术支撑。
空间目标监视的核心任务是对空间目标进行探测、跟踪和识别。获取空间目标的几何特征、物理特征和运动参数等重要目标信息，进而确定目标威胁度、警戒空间碰撞、提供安全告警信息，是实施防御性空间对抗和进攻性空间对抗的基础。其中在空间目标的识别过程中，空间目标的轨道特性是主要依据，而其几何特性和物理特性则是对其轨道特性的进一步补充。
空间目标的分布是指空间分布，空间分布由轨道分布体现，了解空间目标的轨道分布特征对探测系统的设计等都具有非常重要的参考价值。这里主要通过分析轨道根数的分布来完成空间目标分布的统计，主要从空间目标半长轴、偏心率和轨道倾角三个方面进行考虑。
2、TLE文件格式分析
NASA发布航天器轨道根数的文本文件是TLE格式，TLE文件有多种扩展名，包括*.wr、*.fr、*.gd、*.om、*.sd和*.tce等六种，NORAD的双行轨道根数保存在tce文件中，由两行组成，有效字符为数字0-9，大写字母A-Z、正负号、空格和句点。其格式如下[4]：
比特位
1 3 8 10 17 19 32 34 43 45 52 54 61 63 69
1 NNNNNC NNNNNAAA NNNNN.NNNNNNNN +.NNNNNNNN +NNNNN-N +NNNNN-N N NNNNN
2 NNNNN NNN.NNNN NNN.NNNN NNNNNNN NNN.NNNN NNN.NNNN NN.NNNNNNNNNNNNNN
包括的数据项有：行号、卫星编号、卫星密级、卫星国际编号（发射年份、年中序号、发射中产生的目标序列）、历元之年份、历元之天数、平动一阶导数、平动二阶导数、大气阻力项、定规模型的类型、和校验结果、轨道倾角、升交点赤经、偏心率、近地点幅角、平近点角、平均角速度、相对于历元的圈数。
具体定义见表1、2。
表1 双行根数第一行格式定义
序号 比特位 含义 示例
1.1 01 行号，取值为1 1
1.2 03-07 卫星编目号，5位十进制数表示，最多可编目99999个目标 23455
1.3 08 卫星密级分类标识，U表示非密，S表示秘密 U
1.4 10-11 卫星国际编号之发射年份，2位十进制数表示，如94代表1994年 94
1.5 12-14 卫星国际编号之年中序号，3位十进制数表示，如089表示当年的第89次次发射 089
1.6 15-17 卫星国际编号之本次发射中产生的目标序列，字符表示，如A表示本次发射中形成的第一个目标 A
1.7 19-20 历元之年份，2位十进制数表示，如97代表1997年 97
1.8 21-32 历元之天数，表示根数时刻在该年中的天数（Day of
the Year），小数点后保留8位有效数字（精确到1ms） 320.90946019
1.9 34-43 平动一阶导数20.n，单位为圈数/天2 .00000140
1.10 45-52 平动二阶导数60n，单位为圈数/天3，表示方法为一种调整的指数形式，前6位为0～1的小数部分，后2位为指数部分，如-12345-6为-0.12345*10-6 00000-0
1.11 54-61 大气阻力项之B*0*21ρmSCBD，ρ0为参考点大气密度)，单位为1/ae（ae为地球半径），表示方法同1.10 10191-3
1.12 63 生成该星历所采用的定轨模型的类型，对外公布的编目中将此值统一设为0，表示由SGP4/SDP4模型生成，NORAD内部为1=SGP，2=SGP4，3=SDP4，4=SGP8，5=SDP8 0
1.13 65-68 一般情况下表示该目标的轨道根数编号(即更新次数)，但在空间监视中心从夏延山主用中心切换到海军备用中心时，该值可能有误 262
1.14 69 和校验结果，具体过程是：略去所有空格、加号、字符、小数点，视负号为1，将所有数字相加，除以10后的余数(即和的最后一位)。该校验约可查出90%的错误 1
表2 双行根数第二行格式定义
序号 比特位 含义 示例
2.1 01 行号，取值为2 2
2.2 03-07 卫星编号 23455
2.3 09-16 轨道倾角，单位：度 99.0090
2.4 18-25 轨道升交点赤经，单位：度 272.6745
2.5 27-33 轨道偏心率，小数表示（即1234567为0.1234567） 0008546
2.6 35-42 近地点幅角，单位：度 223.1686
2.7 44-51 平近点角，单位：度 136.8816
2.8 53-63 平均角速度，单位：圈/天 14.11711747
2.9 64-68 相对于历元的圈数（发射后首次过升交点为第一圈），单位：圈 14849
2.10 69 同1.14 5
其中，需要说明的是：
（1）1.2为NORAD根据目标初次发现所制定的编目号；
（2）1.4～1.6是遵守国际公约依据最终发射时间的编号，与美国宇航局（NASA）的国家空间科学数据中心（NSSDC）等一致；
（3）1.7～1.8的历元采用平太阳时。
以下是NORAD公布的第一颗全球星的双行根数，供对比参考。
GLBALSTAR 01
1 25162U 98008 00069.18987500 -.00000104 00000-0 00000-0 0 3422
2 25162 52.0028 117.1248 0000635 142.9613 217.1298 12.62272059 95313
通过对空间目标轨道信息的分析，确定将从tce文件中提取的数据项有卫星编号、轨道倾角、升交点赤经、偏心率、近地点幅角、平近点角、平均角速度。
四、实验内容
1、分析两行根数（TLE）的数据格式；
用matlab读取*.TCE文件，本实验主要用的是fopen、importdata和str2num三个函数，先用fopen函数打开文件，然后用importdata函数将原文件中的数据以struct型读取出来，并存入S矩阵，其结构如下：
代码如下：
S=fopen('stkSatDbAll.tce');
S=importdata('stkSatDbAll.tce');
采用此种方法读取的数据，可以将原文件中的卫星编号、轨道倾角和轨道偏心率等信息直接以类似矩阵的形式存放，只是数据格式为cell型，暂无法直接进行运算：
利用以下代码提取含有六个轨道根数的偶数行：
[m1 n1]=size(S.textdata);
[m2 n2]=size(S.data);
for i=2:2:m1
for j=1:n1
A(i/2,j)=S.textdata(i,j);%提取偶数行
end
end
又观察看出，卫星的角速度数据存放在S.data矩阵的第一列，卫星的轨道倾角数据和偏心率数据分别存放在cell型数据S.textdata的第3列和第5列，将其分别提取出来：
for i=2:2:m2
for j=1:n2
B(i/2,j)=S.data(i,j); %角速度
end
end
for i=1:m1/2
A1(i)=A(i,3);
end
A1=A(:,3); %轨道倾角
A2=A(:,5); %偏心率
然后再利用str2num函数将数据格式转换为可以计算的矩阵形式：
for i=1:length(A1);
A_qingjiao(i,1)=str2num(A1{i,1});
end
for i=1:length(A2);
A_pianxinlv(i,1)=str2num(A2{i,1})*1e-7;
end
2、对目前在轨目标半长轴、偏心率和轨道倾角的分布规律进行统计分析；
（1）在轨目标轨道倾角分布规律统计
首先用直方图进行倾角的频数分布统计，分为90个区间，统计图表如下:
05010015005001000150020002500
从上图可以看出轨道倾角的大致分布情况，有一部卫星的倾角在0度至30度之间，而倾角在50度附近的卫星数量较少，60至80之间也有较多卫星分布，90至100度倾角之间卫星的分布密度最大，到了110度往上，就很少有卫星存在了。
编写代码更细一步统计卫星分布情况，列出表格如下：
倾角/度 数量 倾角/度 数量
0—10 847 75-80 72
10—20 487 80-82 208
20—30 338 82-83 1024
30—40 158 83-90 375
40—50 123 90-98 497
50-60 208 98-99 1639
60-65 562 99-100 1106
65-70 963 100-110
753
70-72 384 110-150 29
72-75 822
总计 10595
（2）在轨目标偏心率分布规律统计
下图为用直方图进行倾角的频数分布统计，分为20个区间，统计图表如下:
00.10.20.30.40.50.60.70.80.90100020003000400050006000700080009000
由表格可以看出，卫星轨道偏心率在0——0.1之间分布最多，最为密集，同时也反映出大多数卫星的轨道都是近圆轨道，更详细的分布情况如下所示：
偏心率/度 数量
等于0 0
0-0.001 1361
0.001-0.005 3033