【Cesium】使用TLE轨道两行数计算轨道信息，并生成CZML格式文件
TLE为轨道两行数，简单的说是用两行数字表示轨道的相关信息，本文即用轨道两行数来计算任一时刻卫星的位置信息和速度信息，并生成CZML文件能够读取的格式
1、satellite.js库简介
简而言之，satellite.js库可以根据TLE轨道两行数，使用SGP4/SDP4方法对任一时刻卫星的位置信息和速度信息进行计算，也可以完成地惯坐标系和地固坐标系下位置信息的转换等其他功能，本篇文章主要使用到satellite.js库的轨道计算功能，感兴趣的读者可以看一下这个库中其他的功能，链接放在下面
satellite.js库介绍
中文翻译
举例：
// 示例TLE轨道两行数
var tleLine1 = '1 25544U 98067A 19156.50900463 .00003075 00000-0 59442-4 0 9992',
tleLine2 = '2 25544 51.6433 59.2583 0008217 16.4489 347.6017 15.51174618173442';
// 初始化卫星记录
var satrec = satellite.twoline2satrec(tleLine1, tleLine2);
// 获取卫星在某一时间点的位置与方向信息 **（注意时间是从TLE记录的初始时刻后的分钟数，可以为负）**
var positionAndVelocity = satellite.sgp4(satrec, timeSinceTleEpochMinutes);
// 或者使用JavaScript日期
var positionAndVelocity = satellite.propagate(satrec, new Date());
// 获得地惯坐标系下的当前时间点的位置信息和速度信息
var positionEci = positionAndVelocity.position,
velocityEci = positionAndVelocity.velocity;
// 将观察者（固定区域）设为西经122.03度，北纬36.96度（degreesToRadians——角度转弧度）
var observerGd = {
longitude: satellite.degreesToRadians(-122.0308),
latitude: satellite.degreesToRadians(36.9613422),
height: 0.370
};
// 将GMT中国时、Julindate时转成格林尼治恒星时
var gmst = satellite.gstime(new Date());
// 地惯坐标系下的位置信息转换成地固坐标系下的位置信息
var positionEcf = satellite.eciToEcf(positionEci, gmst),
// 大地坐标系转地固坐标系
observerEcf = satellite.geodeticToEcf(observerGd),
// 地惯坐标系转大地坐标系
positionGd = satellite.eciToGeodetic(positionEci, gmst),
// 获得观测角度
lookAngles = satellite.ecfToLookAngles(observerGd, positionEcf),
// 获得笛卡尔坐标中的x，y，z
var satelliteX = positionEci.x,
satelliteY = positionEci.y,
satelliteZ = positionEci.z;
// 角度可以通过' azimuth '， ' elevation '， ' range_sat '属性访问。
var azimuth = lookAngles.azimuth,
elevation = lookAngles.elevation,
rangeSat = lookAngles.rangeSat;
// 通过'经度'，'纬度'，'高度'访问大地坐标。
var longitude = positionGd.longitude,
latitude = positionGd.latitude,
height = positionGd.height;
// 将弧度转换为度。
var longitudeDeg = satellite.degreesLong(longitude),
latitudeDeg = satellite.degreesLat(latitude);
2、生成CZML能够识别的格式
使用CZML文件表示卫星，不仅需要知道卫星的位置信息，还需要知道卫星在运行过程中每一圈轨道的运行时间，这样画出来的轨道才能够是一圈一圈独立的
不然会出现轨道交叉的现象
其实根本在于要控制好卫星轨迹提前出现的时间，以及轨迹保留的时间，也即leadIntervalArray和trailIntervalArray这两个参数，具体的代码如下：
const satellite = require('satellite.js')
const moment = require('moment')
const julian = require('julian')
/*
根据卫星显示的起始时间，终止时间，tle轨道两行数得出czml文件，时间为js的Date对象，tles为对象数组，对象格式为
{
name：xx，
tle1：xx，
tle2：xx
}
*/
function tles2czml(startTime, endTime, tles) {
// 计算起始时间和终止时间相隔的分钟数
let minsInDuration = (endTime.getTime() - startTime.getTime()) / 60000; //mins
//设置为开始时间
let initialTime = moment(startTime.toISOString()).toISOString();
//设置为结束时间
endTime = moment(endTime.toISOString()).toISOString();
// 初始化czml数据，创建场景信息
let tempCZML = [];
tempCZML.push({
"id": "document",
"name": "CZML Point - Time Dynamic",
"version": "1.0",
"clock": {
"interval": `${initialTime}/${endTime}`,
"multiplier": 1,
"range": "LOOP_STOP",
"step": "SYSTEM_CLOCK"
}
},
)
// 处理每一个sat
for (let no = 0; no < tles.length; no++) {
if(!tles[no].name){
console.log("请输入第" + no+1 + "个卫星的名称");
return
};
if(!tles[no].tle1){
console.log("请输入第" + no+1 + "个卫星的第一个两行数");
return
};
if(!tles[no].tle2){
console.log("请输入第" + no+1 + "个卫星的第二个两行数");
return
};
let sat_name = tles[no].name;
// 保存位置信息
let res = [];
let satrec
satrec = satellite.twoline2satrec(tles[no].tle1, tles[no].tle2);
//satrec.no：以弧度/分钟为单位的平均运动，一天有1440分钟，一弧度是0.159155圈
// to go from RAD/DAY -> REV/DAY: rad * 1440 * 0.159155
//to go from REV/PER DAY to MINS/REV -> 1440/RevPerDay
let totalIntervalsInDay = satrec.no * 1440 * 0.159155; //1440 = min && 0.159155 = 1turn
// 获得运行一圈的分钟数
let minsPerInterval = 1440 / totalIntervalsInDay; // mins for 1 revolution around earth
// intervalTime 取结束时间 格式为2008-09-20T12:25:40.104Z
let intervalTime = endTime
let leadIntervalArray = [];
let trailIntervalArray = [];
console.log("Setting intervals...");
// 注意：这里之所以要倒过来求leadInterval和trailInterval是因为如果正着求，很有可能在终止时刻卫星并没有运行完一圈，导致轨道只显示一半
for (let i = minsInDuration; i >= 0; i -= minsPerInterval) {
if (i <= minsPerInterval) { // intial interval
let currentOrbitalInterval = {
"interval": `${initialTime}/${intervalTime}`,
"epoch": `${initialTime}`,
"number": [
0, minsPerInterval * 60,
minsPerInterval * 60, 0
]
}
let currTrail = {
"interval": `${initialTime}/${intervalTime}`,
"epoch": `${initialTime}`,
"number": [
0, 0,
minsPerInterval * 60, minsPerInterval * 60
]
}
leadIntervalArray.push(currentOrbitalInterval);
trailIntervalArray.push(currTrail);
}
else { //not initial so make intervals
let previousIntervalTime = moment(intervalTime).add(-minsPerInterval, 'm').toISOString();
let currentOrbitalInterval = {
"interval": `${previousIntervalTime}/${intervalTime}`,
"epoch": `${previousIntervalTime}`,
"number": [
0, minsPerInterval * 60,
minsPerInterval * 60, 0
]
}
let currTrail = {
"interval": `${previousIntervalTime}/${intervalTime}`,
"epoch": `${previousIntervalTime}`,
"number": [
0, 0,
minsPerInterval * 60, minsPerInterval * 60
]
}
intervalTime = moment(intervalTime).add(-minsPerInterval, 'm').toISOString();
leadIntervalArray.push(currentOrbitalInterval);
trailIntervalArray.push(currTrail);
}
}
// Seconds between current time and epoch time
let sec = (startTime - julian.toDate(satrec.jdsatepoch)) / 1000;
console.log(startTime, julian.toDate(satrec.jdsatepoch), sec);
for (let i = sec; i <= sec + minsInDuration * 60; i++) { //每60秒计算一个位置信息，最后采用拉格朗日插值法处理数据
// 根据当前时间距tle两行数历元时刻的分钟数，计算当前卫星位置和速度
let positionAndVelocity = satellite.sgp4(satrec, i * 0.0166667); // 0.0166667min = 1sec
// 地惯坐标系
let positionEci = positionAndVelocity.position;
positionEci.x = positionEci.x * 1000;
positionEci.y = positionEci.y * 1000;
positionEci.z = positionEci.z * 1000;
// let velocityEci = positionAndVelocity.velocity;
// velocityEci.x = velocityEci.x * 1000;
// velocityEci.y = velocityEci.y * 1000;
// velocityEci.z = velocityEci.z * 1000;
res.push(i - sec, positionEci.x, positionEci.y, positionEci.z);
}
let initialCZMLProps =
{
"id": `${sat_name}`,
"name": `${sat_name}`,
"availability": `${initialTime}/${endTime}`,
"label": {
"fillColor": {
"rgba": [
255, 0, 255, 255
]
},
"font": "11pt Lucida Console",
"horizontalOrigin": "LEFT",
"outlineColor": {
"rgba": [
0, 0, 0, 255
]
},
"outlineWidth": 2,
"pixelOffset": {
"cartesian2": [
12, 0
]
},
"show": true,
"style": "FILL_AND_OUTLINE",
"text": `${sat_name}`,
"verticalOrigin": "CENTER"
},
"path": {
"show": [
{
"interval": `${initialTime}/${endTime}`,
"boolean": true
}
],
"width": 3,
"material": {
"solidColor": {
"color": {
"rgba": [
// 随机生成轨道颜色
Math.floor(255 * Math.random(0, 1)), Math.floor(255 * Math.random(0, 1)), Math.floor(255 * Math.random(0, 1)), 255
]
}
}
},
"resolution": 120,
// The time ahead of the animation time, in seconds, to show the path.
"leadTime": leadIntervalArray,
// The time behind the animation time, in seconds, to show the
"trailTime": trailIntervalArray
},
"model": {
"show": true,
"gltf": "./111.gltf",
"minimumPixelSize": 50,
},
"position": {
// 采用拉格朗日插值法
"interpolationAlgorithm": "LAGRANGE",
// 1为线性插值，2为平方插值
"interpolationDegree": 2,
// 参考坐标系，地惯坐标系
"referenceFrame": "INERTIAL",
"epoch": `${initialTime}`,
"cartesian": res
}
}
tempCZML.push(initialCZMLProps);
}
return tempCZML;
}
export default tles2czml
上面的方法参考了tle2czml库的写法，但是有一点需要注意，如果直接调用tle2czml库的话，最后一圈的卫星轨道往往是不完整的，本文所写的方法是根据时间倒序求leadInterval和trailInterval，这样即便到了终止时间，卫星的轨道显示也是完整的一圈。
如果对CZML文件格式有疑问的可以看 这里
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