使用 spg4、pyephem 的 Python 卫星跟踪 - 位置不匹配

Question

我正在尝试编写一个基本的 python 脚本，它将跟踪一个给定的卫星，用 tle 定义，从给定的位置。我不是一个 asto/orbital 人，但我正在努力变得更聪明。

我遇到了一个问题，我使用的不同模型给了我非常不同的位置答案。我试过使用： pyEphem spg4 预测（从脚本执行系统调用）

我正在测试的卫星是 ISS 和 directv10（一颗固定，一颗移动 - 可通过互联网跟踪进行验证）：

0 Direct10
1 31862U 07032A   13099.15996183 -.00000126  00000-0  10000-3 0  1194
2 31862 000.0489 046.9646 0000388 001.7833 103.5813 01.00271667 21104
0 ISS
1 25544U 98067A   13112.50724749  .00016717  00000-0  10270-3 0  9148
2 25544  51.6465  24.5919 0009906 171.1474 188.9854 15.52429950 26067

我已经修改了预测源以提供 eci 位置，以便我可以使用它来了解真实位置。我还让它给出了用于验证观察的 az、el 范围。我正在使用 spg4 来获取真实位置。对于观察到的位置，我使用的是 PyEphem。

我从 spg4 获得 ECEF 职位：

def get_real(epoch, sv):
    satellite = twoline2rv(sv.tle1, sv.tle2, wgs84)

    #epoch = time.time()
    obsTime = datetime.datetime.utcfromtimestamp(epoch)
    position, velocity = satellite.propagate(obsTime.year,
                                             obsTime.month,
                                             obsTime.day,
                                             obsTime.hour,
                                             obsTime.minute,
                                             obsTime.second)


    x = position[0]
    y = position[1]
    z = position[2]

    x *= 1000
    y *= 1000
    z *= 1000

我的基于 pyephem 的观察代码是：

def get_ob(epoch, sv, obsLoc):
    site = ephem.Observer()
    site.lon = str(obsLoc.lat)   # +E -104.77 here
    site.lat = str(obsLoc.lon)   # +N 38.95   here
    site.elevation = obsLoc.alt # meters    0 here
    #epoch = time.time()
    site.date = datetime.datetime.utcfromtimestamp(epoch)

    sat = ephem.readtle(sv.name,sv.tle1,sv.tle2)
    sat.compute(site)

    az       = degrees(sat.az)
    el       = degrees(sat.alt)
    #range in m
    range    = sat.range
    sat_lat  = degrees(sat.sublat)
    sat_long = degrees(sat.sublong)
    # elevation of sat in m
    sat_elev = sat.elevation

    #TODO: switch to using az,el,range for observed location calculation
    #x, y, z    = aer2ecef(az,el,range,38.95,-104.77,80 / 1000)
    x,y,z  = llh2ecef(sat_lat, sat_long, sat_elev)

llh2ecef 转换：

def llh2ecef (flati,floni, altkmi ):
    #         lat,lon,height to xyz vector
    #
    # input:
    # flat      geodetic latitude in deg
    # flon      longitude in deg
    # altkm     altitude in km
    # output:
    # returns vector x 3 long ECEF in km

    dtr =  pi/180.0;

    flat  = float(flati);
    flon  = float(floni);
    altkm = float(altkmi);

    clat = cos(dtr*flat);
    slat = sin(dtr*flat);
    clon = cos(dtr*flon);
    slon = sin(dtr*flon);

    rrnrm  = radcur (flat);
    rn     = rrnrm[1];
    re     = rrnrm[0];

    ecc1    = ecc;
    esq1    = ecc1*ecc1

    x      =  (rn + altkm) * clat * clon;
    y      =  (rn + altkm) * clat * slon;
    z      =  ( (1-esq1)*rn + altkm ) * slat;

    return x,y,z

aer2ecef：

def aer2ecef(azimuthDeg, elevationDeg, slantRange, obs_lat, obs_long, obs_alt):

    #site ecef in meters
    sitex, sitey, sitez = llh2ecef(obs_lat,obs_long,obs_alt)

    #some needed calculations
    slat = sin(radians(obs_lat))
    slon = sin(radians(obs_long))
    clat = cos(radians(obs_lat))
    clon = cos(radians(obs_long))

    azRad = radians(azimuthDeg)
    elRad = radians(elevationDeg)

    # az,el,range to sez convertion
    south  = -slantRange * cos(elRad) * cos(azRad)
    east   =  slantRange * cos(elRad) * sin(azRad)
    zenith =  slantRange * sin(elRad)


    x = ( slat * clon * south) + (-slon * east) + (clat * clon * zenith) + sitex
    y = ( slat * slon * south) + ( clon * east) + (clat * slon * zenith) + sitey
    z = (-clat *        south) + ( slat * zenith) + sitez

    return x, y, z

当我比较和绘制 3D 地球仪上的位置（使用 ecef 位置）时，我得到的答案无处不在。预测 eci 位置（转换为 ecef）与我在 ISS Tracking 网站上看到的一致 (http://www.n2yo.com/?s=25544)

get_real() 的结果在规模和位置上都相差甚远。 get_ob() 的结果在比例上是正确的，但在地球上的位置是错误的

示例结果：

基于预测：

sv: ISS predict observed response    @ epoch: 1365630559.000000 : [111.485527, -69.072949, 12351.471383]
sv: ISS predict aer2ecef position(m) @ epoch: 1365630559.000000 : [4731598.706291642, 1844098.7384999825, -4521102.9225004213]
sv: ISS predict ecef position(m) @ epoch: 1365630559.000000 : [-3207559.6840419229, -3937040.5048992992, -4521102.9110000003]
sv: ISS predict ecef2llh(m)      @ epoch: 1365630559.000000 : [-41.67839724680753, -129.170165912171, 6792829.6884068651]
sv: Direct10 predict observed response    @ epoch: 1365630559.000000 : [39.692138, -49.219935, 46791.914833]
sv: Direct10 predict aer2ecef position(m) @ epoch: 1365630559.000000 : [28401835.38849232, 31161334.784188181, 3419.5400331273049]
sv: Direct10 predict ecef position(m) @ epoch: 1365630559.000000 : [-9348629.6463202238, -41113211.570621684, 3419.8620000000005]
sv: Direct10 predict ecef2llh(m)      @ epoch: 1365630559.000000 : [0.0046473273713214715, -102.81051792373036, 42156319.281573996]

基于python：

sv: ISS ephem observed response    @ epoch: 1365630559.000000 : [344.067992722211, -72.38297754053431, 12587123.0][degrees(sat.az), degrees(sat.alt), sat.range]
sv: ISS ephem llh location(m)      @ epoch: 1365630559.000000 : [-41.678271938092195, -129.16682754513502, 421062.90625][degrees(sat.sublat0, degrees(sat.sublong), sat.elevation]
sv: ISS ephem xyz location(m)      @ epoch: 1365630559.000000 :[-201637.5647039332, -247524.53652043006, -284203.56557438202][llh2ecef(lat,long,elev)]
sv: ISS spg84 ecef position(m) @ epoch: 1365630559.000000 : [4031874.0758277094, 3087193.8810081254, -4521293.538866323]
sv: ISS spg84 ecef2llh(m)      @ epoch: 1365630559.000000 : [-41.68067424524357, 37.4411722245808, 6792812.8704163525]
sv: Direct10 ephem observed response    @ epoch: 1365630559.000000 : [320.8276456938389, -19.703680198781303, 43887572.0][degrees(sat.az), degrees(sat.alt), sat.range]
sv: Direct10 ephem llh location(m)      @ epoch: 1365630559.000000 : [0.004647324660923812, -102.8070784813048, 35784688.0][degrees(sat.sublat0, degrees(sat.sublong), sat.elevation]
sv: Direct10 ephem xyz location(m)      @ epoch: 1365630559.000000 :[-7933768.6901137345, -34900655.02490133, 2903.0498773286708][llh2ecef(lat,long,elev)]
sv: Direct10 spg84 ecef position(m) @ epoch: 1365630559.000000 : [18612307.532456037, 37832170.97306267, -14060.29781505302]
sv: Direct10 spg84 ecef2llh(m)      @ epoch: 1365630559.000000 : [-0.019106864351793953, 63.80418030988552, 42156299.077687643]

两个观测值之间的 az、el 和范围不匹配。这些位置与“真实”位置不匹配。 （在 ecef2llh 转换后，lat 和 long 会，但 height 不会。

与基于网络的跟踪器相比，我注意到预测的“真实”llh 位置与网站匹配。对于 directv10，pyEphem 匹配方位角和仰角，但不匹配 ISS

当我在地球仪上绘制它们时，预测 eci“真实”位置在正确的位置 - 匹配跟踪器网站）。 spg84 ecef 位置（我认为应该与 predict 相同，位于地球的另一侧。预测“观察到”的位置靠近 spg84 位置。pyEphem 的高度完全关闭并且不显示（也低，在地球内部）。

所以我的问题是我在哪里错误地使用了 python 模型？我的理解是 spg84 传播（）调用应该以米为单位返回卫星的执行位置。我会认为应该匹配 eci2efec 转换后的预测位置。当使用 sat.sublat、sat.sublong、sat.elevation 时，我也期望匹配然后是 llh2ecef()。

正如我所说，我对所有轨道事物都不熟悉，所以我确信我犯了一个简单的数学错误或一些事情。我已经尝试用谷歌搜索并尽可能多地搜索答案、示例和教程，但到目前为止没有任何帮助（我尝试了多种 ecef2llh 和 llh2ecef 方法来尝试解决这些错误。

任何建议、意见、正确方向的指示都将不胜感激。如果这对某人有帮助，我可以发布/发送我正在使用的完整代码。我试图确保我在这里发布了重要部分，并且不想让这篇（已经很）长的帖子变得更长。

感谢您的帮助。

亚伦

更新：

我发现了问题的至少一部分。 spg84.propagate() 返回 ECI 中的位置，而不是 ECEF。快速运行 eci2ecef，它与预测响应完美匹配。

在发帖寻求帮助后，我似乎总能找到解决方案；）

现在需要弄清楚观察者位置发生了什么。这归结为： 如何从 pyEphem.compute() 获取结果并获取卫星的 ecef 位置？更喜欢使用 az、el、范围值，而不是纬度、经度、海拔。

我在猜测我的 aer2ecef 调用中的错误。

谢谢。

更新 2：

让观察结果与“真实”位置对齐。看来我遇到了单位问题。工作代码：

az       = degrees(sat.az)
el       = degrees(sat.alt)
#range in km
range    = sat.range
sat_lat  = degrees(sat.sublat)
sat_long = degrees(sat.sublong)
# elevation of sat in km
sat_elev = sat.elevation


#x, y, z    = aer2ecef(az,el,range,obsLoc.lat,obsLoc.long,obsLoc.alt)
x,y,z  = llh2ecef(sat_lat, sat_long, sat_elev / 1000)

x *= 1000
y *= 1000
z *= 1000
return x,y,z

现在只需要 aer2ecef() 方法来返回正确的位置...

Answer 1

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