Двухстрочный набор элементов ( TLE , или реже 2LE ) или трехстрочный набор элементов ( 3LE ) — это формат данных , кодирующий список орбитальных элементов объекта, вращающегося вокруг Земли, для заданного момента времени, эпохи . Используя подходящую формулу прогнозирования, состояние (положение и скорость) в любой точке в прошлом или будущем может быть оценено с некоторой точностью. Представление данных TLE специфично для упрощенных моделей возмущений (SGP, SGP4 , SDP4 , SGP8 и SDP8), поэтому любой алгоритм, использующий TLE в качестве источника данных, должен реализовывать одну из моделей SGP для правильного вычисления состояния в интересующее время. TLE могут описывать траектории только объектов, вращающихся вокруг Земли. TLE широко используются в качестве входных данных для проектирования будущих орбитальных треков космического мусора в целях характеристики «будущих событий, связанных с мусором, для поддержки анализа риска , анализа тесного сближения, маневрирования для предотвращения столкновений » и судебно-медицинского анализа . [1] [2]
Первоначально формат предназначался для перфокарт , кодируя набор элементов на двух стандартных 80-колоночных картах . Этот формат в конечном итоге был заменен текстовыми файлами , поскольку системы перфокарт устарели, при этом каждый набор элементов записывался в две 69-колоночные строки ASCII, которым предшествовала строка заголовка. Космические силы США отслеживают все обнаруживаемые объекты на орбите Земли, создавая соответствующий TLE для каждого объекта, и делают общедоступными TLE для многих космических объектов на веб-сайтах Space Track и Celestrak, [3] [4] скрывая или запутывая данные о многих военных или секретных объектах . Формат TLE является фактическим стандартом для распространения орбитальных элементов объектов, вращающихся вокруг Земли.
Набор TLE может включать строку заголовка, предшествующую данным элемента, поэтому каждый листинг может занимать три строки в файле, в этом случае TLE называется трехстрочным набором элементов ( 3LE ), а не двухстрочным набором элементов ( 2LE ). Заголовок не требуется, так как каждая строка данных включает уникальный код идентификатора объекта.
В начале 1960-х годов Макс Лейн разработал математические модели для прогнозирования местоположений спутников на основе минимального набора элементов данных. Его первая работа по этой теме, опубликованная в 1965 году, представила Аналитическую теорию сопротивления, которая в первую очередь касалась эффектов сопротивления, вызванных сферически симметричной невращающейся атмосферой. [5] Вместе с К. Крэнфордом они опубликовали в 1969 году улучшенную модель, в которую были добавлены различные гармонические эффекты, обусловленные взаимодействиями Земля-Луна-Солнце и различными другими входными данными. [6]
Модели Лейна широко использовались военными и NASA, начиная с конца 1960-х годов. Улучшенная версия стала стандартной моделью для NORAD в начале 1970-х годов, что в конечном итоге привело к созданию формата TLE. В то время существовало два формата, разработанных для перфокарт : «внутренний формат», который использовал три карты, кодирующие полную информацию о спутнике (включая имя и другие данные), и двухкарточный «формат передачи», который перечислял только те элементы, которые подлежали изменению. [7] Последний экономил на картах и производил меньшие колоды при обновлении баз данных.
Крэнфорд продолжил работу над моделированием, в конечном итоге приведя Лейна к публикации Spacetrack Report #2, в котором подробно описывалась теория общих возмущений ВВС, или AFGP4. В статье также описывались две упрощенные версии системы: IGP4, которая использовала упрощенную модель сопротивления, и SGP4 (Simplified General Perturbations), которая использовала модель сопротивления IGP4 вместе с упрощенной моделью гравитации. [8] Различия между тремя моделями были незначительными для большинства объектов. Год спустя был выпущен Spacetrack Report #3 , включающий полный исходный код FORTRAN для модели SGP4. [9] Это быстро стало фактически стандартной моделью как в отрасли, так и в области астрономии.
Вскоре после публикации Отчета № 3 НАСА начало публиковать элементы для множества видимых и других известных объектов в своих периодических Бюллетенях прогнозов НАСА , которые состояли из данных формата передачи в печатной форме. После некоторых попыток убедить НАСА опубликовать их в электронном виде, Т. С. Келсо взял дело в свои руки и начал вручную копировать списки в текстовые файлы, которые он распространял через свою систему досок объявлений CelesTrak . Это выявило проблему в системе контрольных сумм НАСА , которая восходит к отсутствию символа плюс (+) на телетайпах , используемых в НАСА, что в конечном итоге оказалось проблемой эпохи перфокарт, которая произошла, когда NORAD обновил набор символов с BCD на EBCDIC на компьютере, отправляющем обновления. Эта проблема исчезла, когда Келсо начал получать данные напрямую от NORAD в 1989 году. [10]
Модель SGP4 была позже расширена с поправками для объектов дальнего космоса, создав SDP4, которая использовала те же входные данные TLE. За эти годы было создано несколько более продвинутых моделей прогнозирования, но они не получили широкого распространения. Это связано с тем, что TLE не содержит дополнительной информации, необходимой для некоторых из этих форматов, что затрудняет поиск элементов, необходимых для использования преимуществ улучшенной модели. Более тонко, данные TLE обрабатываются таким образом, чтобы улучшить результаты при использовании с моделями серии SGP, что может привести к тому, что прогнозы других моделей будут менее точными, чем SGP при использовании с обычными TLE. Единственная новая модель, которая получила широкое распространение, — это SGP8/SDP8, которые были разработаны для использования тех же входных данных и являются относительно небольшими поправками к модели SGP4.
Первоначально в моделях SGP использовались два формата данных: один, содержащий полную информацию об объекте и известный как «внутренний формат», и второй, известный как «формат передачи», который использовался для предоставления обновлений этих данных.
Внутренний формат использовал три 80-колоночные перфокарты. Каждая карта начиналась с номера карты, 1, 2 или 3, и заканчивалась буквой «G». По этой причине система часто была известна как «формат G-карты». Помимо орбитальных элементов, G-карта включала различные флаги, такие как страна запуска и тип орбиты (геостационарная и т. д.), расчетные значения, такие как высота перигея и визуальная величина, а также поле комментариев из 38 символов.
Формат передачи по сути является урезанной версией формата G-карты, удаляя любые данные, которые не подлежат регулярному изменению, или данные, которые могут быть рассчитаны с использованием других значений. Например, высота перигея из G-карты не включена, поскольку ее можно рассчитать из других элементов. Остается набор данных, необходимых для обновления исходных данных G-карты по мере выполнения дополнительных измерений. Данные помещаются в 69 столбцов и не включают конечный символ. TLE — это просто данные формата передачи, представленные как текст ASCII.
Пример TLE для Международной космической станции :
МКС (ЗАРЯ)1 25544U 98067A 08264.51782528 -.00002182 00000-0 -11606-4 0 29272 25544 51,6416 247,4627 0006703 130,5360 325,0288 15,72125391563537
Значение этих данных следующее: [11]
Если присутствует, TLE представляет собой набор элементов из трех линий ( 3LE ).
В противном случае TLE представляет собой двухстрочный набор элементов ( 2LE ).
Если десятичные точки предполагаются, они являются ведущими десятичными точками. Последние два символа в полях 10 и 11 первой строки дают степени числа 10 для применения к предыдущей десятичной дроби. Так, например, поле 11 (-11606-4) преобразуется в −0.11606E−4 (−0.11606×10 −4 ).
Контрольные суммы для каждой строки вычисляются путем сложения всех числовых цифр в этой строке, включая номер строки. Единица добавляется к контрольной сумме для каждого отрицательного знака (-) в этой строке. Все остальные нецифровые символы игнорируются.
Для тела на типичной низкой околоземной орбите точность, которую можно получить с помощью модели орбиты SGP4, составляет порядка 1 км в течение нескольких дней эпохи набора элементов. [15] Термин «низкая орбита» может относиться как к высоте (минимальной или глобальной), так и к орбитальному периоду тела. Исторически алгоритмы SGP определяют низкую орбиту как орбиту менее 225 минут.
Двузначные годы эпохи от 57 до 99 соответствуют 1957–1999 годам, а от 00 до 56 соответствуют 2000–2056 годам. [16]
Максимальное количество номеров каталога спутников, которые могут быть закодированы в TLE, быстро приближается с недавней коммерциализацией космоса и несколькими ключевыми событиями распада, которые создали огромное количество объектов мусора. Будущие адаптации TLE были задуманы для расширения количества кодируемых спутников в пределах TLE. [17]
AAS paper 07-127, представленный на 17-й конференции AAS/AIAA Space Flight Mechanics Conference, Седона, Аризона