業餘衛星追蹤(Amateur Satellite Tracking)概要

莊焜亮 / BV1AF 2003-06-27

本文的目的,是要以實作應用的角度(沒有理論與計算),來簡單說明衛星追蹤是什麼?為什麼要做以及怎麼做?由於對象是以業餘衛星為主,因此範圍只侷限於下列三種衛星軌道:

1.      低軌道(圓形軌道,即絕大多數衛星的軌道型式)

2.      橢圓軌道(如AO-10AO-40這種軌道類型)

3.      地球同步軌道(如:同步氣象衛星)

預測或追蹤衛星軌道的方法很多,有電腦的、非電腦的、文字的、圖形的,本文將只說明使用獨立電腦程式及網路程式兩種方法,並以最受業餘衛星愛好者所推崇的程式NOVA for Windows為說明範例。

 

衛星追蹤是什麼?

「追蹤」一詞對科學家來講,就是能定出人造衛星在太空中的準確位置,而對業餘無線電人員來講,從比較實際的觀點來看,就是:衛星何時會出現在「可視範圍」(access range, 指地面電台能夠對衛星收發電波的情況)?以及天線要指向何方?由於衛星通常被視為移動目標,因此地面電台若使用指向性天線(通常是必要的,因為大多數衛星訊號強度都不強),那麼衛星位置的資訊就很重要。另外,預測衛星未來將出現的時間(包括何時、多久、方位等),也是一樣重要,因為除了同步衛星以外的衛星,每天出現在地面電台的可視範圍內的時間並不長,不能把時間浪費在盲目的搜尋與等待。

 

一個設計精良的衛星追蹤程式能夠告訴我們:

一、當衛星出現在可視範圍內時最重要的一件事:天線該指向何方(以便能手動或自動的驅動天線控制器指向正確的方向)?還有其他重要資訊如:衛星出現時間可維持多久?它的訊號可涵蓋到多大地面範圍(這決定了你可以和哪些國家的電台通信)?任一時刻的都卜勒(Doppler)頻移是多少(以便即時手動或自動的修正收發機的頻率)?

二、預測衛星多久之後會再度出現在可視範圍內?甚至在未來的某一時間區間內有哪些時段會出現(白天或黑夜?有些衛星沒照到陽光無法工作)?而這些未來的衛星pass具有什麼樣的特性(其飛行方向、出現時間持續多久、仰角有多高等等)?

 

為什麼要追蹤衛星?

一般低軌道衛星(300-1700公里)一個pass的時間不會超過25分鐘,而地面電台一天當中利用同一個衛星來通信只有4-6pass的機會,也就是每天平均只有1.5-2小時的總通信時間而已。橢圓軌道衛星比較特別,以AO-40為例,它的近地點(perigee)只有大約1000公里,而遠地點(apogee)則高達將近60000公里,因此衛星維持在高軌道的時間很長,雖然每天的pass只有1-2次,但總通信時間卻可高達12小時左右(北半球地區)。地球同步衛星是位於赤道上空約36800公里高,由於其繞行速度幾乎與地球相同,因此從地面看,衛星好像是「掛」在太空中一個固定不動的位置,只要地面電台 得到這個衛星,那麼一天24小時都可以利用它來通信,反之,你現在看不到的同步衛星,你就永遠看不到且用不到。可惜目前還沒有任何一個業餘衛星採用地球同步軌道。

 

從上述可知,不同的衛星軌道特性差異極大,ham具有衛星追蹤的能力,的確可以增加通信的效率和樂趣,在任何時間與地點都有能力掌握任一衛星的動向,總比坐在收發機前漫無目的的搜尋衛星訊號還要好吧!

 

衛星追蹤怎麼做?

筆者認為,如果你連電腦的基本操作都不會,那麼要玩業餘衛星通信會是一件很累的事,因為有太多相關工作要藉助於電腦,然而,你卻不一定要是電腦高手才玩得起來。前曾提及,本文要說明的兩種衛星追蹤方式都是要使用電腦,第一種是上網執行網路追蹤程式,第二種是在你自己的電腦上安裝衛星追蹤程式,這種方式有比較多的功能和使用彈性。

 

(一)      上網執行衛星追蹤程式

 

如果你沒有自己專屬的個人電腦,或你自己的電腦沒在身邊,只要你目前正在使用的電腦可以上網,就可以連線到有線上追蹤程式的網站,去查看你想知道的衛星現在位置在哪裡。以下幾個網站是比較有名的:

 

1.  http://www.heavens-above.com/

2.  http://spaceflight.nasa.gov/realdata/tracking/index.html

3.  http://liftoff.msfc.nasa.gov/RealTime/JTrack/

4.  http://earthobservatory.nasa.gov/MissionControl/overpass.html

 

其中第3個網頁JTrack可以顯示地球與衛星軌道的3D圖形,還可以利用滑鼠任意轉動3D圖形的角度,以便仔細觀察兩者間的關係,是很酷的一個網站。網站首頁圖形附於文後以供參考。使用這些網站的步驟都很簡單,通常只要輸入地面電台的經緯度(或再加上高度)、所在時區,然後選擇你想要追蹤的衛星名稱,一瞬間結果就顯示出來了,有些用文字有些用圖形來顯示其結果,各位上網實際體驗一下便知道。

 

(二)      在個人電腦中使用衛星追蹤程式

 

現今的衛星科技已經相當成熟,所發展出的衛星追蹤程式更是不計其數,有專業的、業餘的;付費的、免費的;文數字顯示的、圖形顯示的等等,還有適合各種不同電腦作業系統的版本,真可以說是五花八門。業餘使用的版本雖不必非常精密,但功能也不可太少,把大部分追蹤衛星的相關工作交給電腦去做,這樣才能使業餘玩家專注於通信作業。

 

以一個業餘衛星通信的初學者來看,追蹤衛星的過程中,想要得到哪些資訊呢?應該不外乎下列三項:

1.  衛星何時升起、何時落下、持續多久(rise-time,fall-time,duration)

2.  衛星出現在可視範圍時,天線該指向何方(azimuth,elevation)

3.  地球上哪些區域範圍涵蓋在衛星的「足印」(footprint)

 

那麼操作者又該先輸入什麼資料,才能從追蹤程式得到想要的資訊呢?

一、       地面電台的基本資料:

1.  包括有經緯度、高度、時區等資料,地面電台的數量可以依需要逐一輸入,追蹤程式會為此建一個地面電台資料庫。

2.  如果有自動天線控制器,則需輸入控制器的各項資料,並且經過校正手續。

二、       動態的數據設定:

1.  衛星軌道資料(TLE),通常可以從網路上下載後由追蹤程式讀進此資料,有些功能較強的程式,甚至可以自行連結到指定的網站去下載資料,並且自動定時去更新它。

2.  想追蹤的衛星名稱(可以一次多個)、追蹤地點(一個或兩個以上)、預測的日期時間(或時段)、輸出資料的格式(文字或圖形顯示)等等。

 

以下就以NOVA for Windows這個程式,來說明初始的設定和追蹤的操作方法。首先必須到http://www.nlsa.com/網站去下載安裝程式setup.exe,目前最新的版本是2.1v,請注意閱讀該網站上有關試用版和註冊版在安裝時的差異。當你安裝完成後第一次執行本程式時,會自動進入一連串的初始設定步驟,首先出現的是版權頁:(圖一

圖一

如果不想要每次程式執行時都出現這視窗,可以把右下角Display this screen at startup左邊的勾選記號清除。此時如果沒有任何按鍵動作,則數秒鐘之後即自動進入下一步驟的視窗(圖二)。

圖二

這個視窗是讓你選擇所要追蹤的衛星,方法是從中間Database欄內找出所要的衛星名稱,按著滑鼠左鍵把它抓到右邊View’s contents內,並選擇右欄內原有的Default Sat項,然後按其下方的Delete鈕將之刪除如下圖(圖三)。

圖三

接下來是地面電台位置資料的設定,但是在這個步驟當中並無法讓你輸入詳細資料,而是從程式內建的城市資料庫當中挑選,資料庫中內建了好幾百個世界上大城市的位置資料,並且按照城市名稱的字首分類好,只要叫出來選擇就可以了。先點選Observers標籤顯示這個步驟所看到的視窗(圖四),我們來看看有沒有台灣的城市在資料庫中,先點選左邊的T字,中間Database欄內列出了T開頭的城市,其中只有Taipei,Taiwan,就先使用這個地點當作主追蹤站,以後再把自己位置的正確資料輸入資料庫,然後替換過來。用上一步驟相同的操作方式把要的資料抓至右欄,然後把原設值刪除掉。

圖四

接著是選擇欲顯示的地圖視窗外觀,按Display標籤顯示如下:(圖五

圖五

其中Map size是指地圖視窗的尺寸,有大中小三種選擇,端視 Windows作業系統桌面的解析度而定,一般若有1024x768,則選Medium較為恰當。右欄的Map type除了不要地圖(No map)之外有四種選擇,第一種是麥卡脫投影方形地圖(一般地圖模式),第二種是球體圖(從太空看),這兩種最常用,可依需要來選擇,第三、四種分別是雷達圖(Radar map, 以追蹤地點為中心)和天空雜音分布圖,這兩種顯示方式可以在程式執行時再去體會看看。本視窗中間下方還有一個Text display的選項,是指在地圖視窗右側要顯示的文字資料有幾欄,每個衛星資料佔一欄,所以這個設定是指要顯示幾個衛星資料在地圖右側。

 

最後一項設定是Title,就是給目前這個地圖視窗一個名稱,以便於管理,在NOVA中可以設定無限制個數的地圖視窗。在按下Title標籤之後出現視窗如下圖:(圖六

圖六

Title for this View下的文字框中,鍵入一個適當的名稱,這個名稱將來會出現在地圖視窗的Title bar上。

經過這些初始設定之後,按Create鈕就建立了第一個地圖視窗(如圖七),以後要再新增地圖視窗,就要進入主選單上的ViewsàCreate new viewàUse View Creation Wizard,將會重複上述的每一個步驟產生另一個新地圖視窗。

圖七

前面步驟所做的初始設定,都可以隨時變更成所要的值,不過現在還是先來設定一個正確的地面電台資料吧!從主選單的Setup項下選Observers,開啟Cities視窗如圖八,左邊Observers list欄內是一些內建的地點名稱,作為快速選擇追蹤地之用,右欄Main City Database是內建城市資料庫,分成幾種不同的類別,按Cities標籤所顯示出來的是城市名稱,若有適合的可以直接點選。


圖八

現在要來設定一個屬於自己的地面電台資料,步驟如下:

1.  點選視窗下半部左側的Location字(該字的右邊目前顯示Temporary),出現一個小視窗,可以輸入一個自取的地點名稱,使用電台呼號來當名稱是個不錯的選擇。

2.      將事先準備好的電台經緯度等資料,用相同的方式一一設定到其他項目裡,完成如下圖:

最後記得按一下左下角的Add to Observers List按鈕,BN0SPO就會被加到左邊的Observers List當中(第一個),再按一下另一個按鈕Make Tracking Obs.BN0SPO就變成自動追蹤時的預設值。按OK完成後回到地圖視窗,這時候就可以把追蹤地點從原設的Taipei,Taiwan改成BN0SPO,步驟如下:

1.  在地圖視窗中按滑鼠右鍵叫出子選單,選擇Map styleConfigure maps,出現Configuration for Current View視窗如下圖:

2.  點選Observers標籤頁,將左欄中的BN0SPO抓至右欄,並刪除Taipei,Taiwan

3.  OK之後回到地圖視窗,地面電台位置已變更為BN0SPO

 

接下來是系統時間的設定,從主選單的Setup中選Time,出現Setup/Time視窗如下:

 

左邊Current settings框中可以看到目前電腦的系統日期和時間,由於追蹤程式是否準確,電腦系統時間是很重要的因素,我們可以設定每次NOVA執行時,立刻自動連線到標準時間網站去對時,以確保追蹤的準確度。按一下上圖左邊下方的Internet Time Set按鈕,出現網路校時視窗如下:

首先在Stratum-1 time servers右邊欄內選擇一個校時網站,然後在Synchronize clock when Nova launches項前打勾,按一下Synch按鈕,電腦系統時間就會立刻和校時網站取得同步,並且將結果訊息顯示在其它空欄內。按Close回到Setup/Time視窗。接下來在右邊上半部的Computer time框中,選擇Use Windows settings,表示追蹤程式要使用作業系統的時間和時區設定。下半部的Display time框中選LocalUTC,及顯示方式是12小時或24小時,均依個人習慣設定之。按OK後回到地圖視窗,到這裡為止已經完成基本設定的部分。

接下來是常用動態設定部份:

首先是衛星軌道資料的更新,從主選單的Kep Elements項中選Internet updateàConfigure download,出現視窗如下:

其中各項的一般設定如下:

1.  Download to…框的File name欄中檔名可以不必變更,但其下方的Retain individual downloaded files項最好打勾,這樣就可以儲存每一個下載的TLE檔成為個別檔案,以利其它應用。

2.  Option框中可以勾選Automatic download,並且設定天數,NOVA就會定時自動為你更新TLE資料,同時也要設定Connection框中的連線方式。

3.  至於download網站,在視窗右邊已經有一個預設的HTTP網址,以及要下載的TLE資料檔名,若要變更或檢視的話,可以按一下右邊兩個小圖示的上面一個。

4.  按一下Download按鈕開始第一次的下載:

完成後按OK回到地圖視窗。

目前地圖視窗中只有一個衛星(AO-40),要怎樣加入其他衛星呢?步驟如下:

1.    在地圖視窗中按滑鼠右鍵叫出子選單,選擇Configure View,點選Satellites標籤,出現視窗如下:

2.    從左欄選取所要的衛星名稱抓到右欄(可以一次多個),從右欄點選衛星名稱,再按Delete按鈕則可刪除不要追蹤的衛星。

3.    OK回到地圖視窗,顯示如下:

只要在地圖上用滑鼠左鍵點選衛星名稱,衛星資訊就會出現在右側的文字欄中,如果衛星已在可視範圍,那麼從右欄中就可以得知衛星的方位及仰角,以便天線能指向衛星。

後記

以上所談的只是NOVA程式最基本的功能,其他諸如:

 

天線自動控制

◆多視窗追蹤

◆單地點多衛星軌道預測

◆兩地點單衛星或多衛星通信機會預測

◆多衛星依序自動追蹤

◆都卜勒頻移計算

◆語音提醒裝置

◆夜間可見衛星軌跡及亮度預測

◆收發機控制(需透過動態連結程式與收發機控制介面)

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因功能實在太多,很難在此一一列舉與討論,有待使用者努力去探索與發掘。

 

 

 

 

專有名詞淺釋相關網站首頁

1.AOS (Acquisition Of Signal)

        衛星升起到地面電台的地平線之時間

2.Bahn latitude

        衛星姿態相對於衛星軌道面的傾角

3.Bahn longitude

   衛星姿態相對於衛星軌道直徑的偏角

4.Doppler shift

   衛星運行中因都卜勒效應所引起的頻率偏移

5.LOS (Loss Of Signal)

        衛星沒入到地面電台的地平線之時間

6.PCA (Point of Closest Approach)

        衛星軌道最接近地面電台的點

7.SSP (Sub Satellite Point)

        衛星垂直投影到地面的點

8.TCA (Time of Closest Approach)

        衛星到達最接近地面電台的時間

9.apogee

        衛星軌道距離地面最遠的高度

10.ascending pass

        衛星從南半球通過赤道飛向北半球的路徑

11.azimuth

        地面電台看向衛星時的方向角

12.descending pass

        衛星從北半球通過赤道飛向南半球的路徑

13.duration

        衛星從AOSLOS的時間

14.elevation

        地面電台看向衛星時的仰角

15.epoch

        衛星軌道資料的始用時間

16.flip mode

        天線控制器控制仰角的模式之一(衛星軌跡跨越以地面電台為原點的第三、四象限時用)

17.GS (Ground Station)

        地面電台

18.ground track (sub-satellite path)

        衛星軌道投影在地面的軌跡

19.height

        衛星距離地面的垂直高度

20.node

        衛星軌跡與赤道相交點

 

21.perigee

        衛星軌道距離地面最近的高度

22.phase (Mean Anomaly)

        衛星在其軌道上的位置表示值,其值介於0~255,近地點為0,遠地點為128

23.range(distance)

        衛星與地面電台間的直線距離,這個值通常比height值大

24.squint angle

        衛星與地面電台間的直線衛星天線指向地面的延伸線之間的夾角,此值愈小愈好

 

http://www.heavens-above.com/

 

http://spaceflight.nasa.gov/realdata/tracking/index.html

http://liftoff.msfc.nasa.gov/RealTime/JTrack/

 

http://earthobservatory.nasa.gov/MissionControl/overpass.html