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编号SL-14RB:浅谈卫星安全の第一弹

作者: Longas_杨…    文章来源: 黑白之道     阅读量:


本文初稿写于2015年12月,最初发在某厂内部技术交流博客,同样由于一些奇怪的原因,没有对外发布,现在将完整版分享出来,没什么特别高深的东西,顶多有些技巧,大家就当是科普文看好了。

 

       

  Security Research of Satellite

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  0x01 关于SL-14RB

  0x02 卫星主要概念

  0x03 卫星追踪

  0x04 攻击卫星

  0x05 一些花絮

  0x06 小结

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  绝大数时间,很少有人会注意到头顶上滑过的航空器,即使偶然抬头,也可能只看到高空飞过客机的频闪指示灯而已。相对于国外,在中国除了政府、军工和科研单位,从事卫星相关研究的团体及个人可谓少之又少,发篇半是科普的软文,权当抛装引玉。

  1 关于SL-14RB

  SL-14 R/B是一个卫星的编号,记得这个编号只是因为每一次打开Orbitron卫星轨道位置跟踪软件,都能在中国、朝鲜和日本上空,看到这个编号为SL-14 R/B的卫星划过,在下图中,可以清晰地查看到该卫星的运行轨道和当前信号可覆盖区域等信息。

       

  再通过几个在线卫星轨道实时跟踪网站,可以在弹出对话框里看到更多详细的数据,诸如当前时间是下午15点12分,SL-14 R/B卫星正在离海平面625.59公里高度飞过俄罗斯上空,该卫星当前属于可被观测到的范围。

      

  看多了就会忍不住想知道:这颗卫星是干什么的?哪个国家的?什么时候发射升空的?从哪儿发射升空的?能不能跟踪这些卫星的遥感数据?……于是就有了这篇文章。

  0x02 卫星主要概念

  2.1 国际卫星标识符COSPAR ID

  国际卫星标识符或国际卫星识别符号,也被称作(COSPAR ID),在美国则被称作NSSDC ID,是用于命名、标识人造卫星的国际惯例。其中,COSPAR是国际空间研究委员会(Committee on Space Research)的英文缩写。

  COSPAR ID由两排数字与一排字母组成。第一排数字为该卫星的发射年、第二排数字为该卫星在其发射年的全球发射顺序、跟在第二排数字右侧的字母则是在该次发射任务中分离出多个部分时用于标识每一部分使用。该标识系统一般被称作COSPAR命名法。

  下表以斯普特尼克1号、东方红一号、哈勃太空望远镜、神舟飞船等飞行器为例,说明COSPAR ID的用法和含义。

       

  2.2 卫星编号NORAD ID

  NORAD卫星编号,又称为NASA编号,SCC编号,是NORAD特别建立的卫星编号,每一个太空飞行器都被赋予唯一的NORAD卫星编号。 NORAD卫星编号由五位数的卫星识别码组成,每一位数都有特定的含义。

  需要说明下,NORAD全称是北美防空联合司令部 North American Aerospace Defense Command,NORAD 是美国/加拿大两国联合建立的军事组织,负责北美地区防御中的领空预警、领空控制和海上预警。NORAD 旨在为北美提供导弹和空袭预警、保卫北美领空权以及维护应对袭击的空中防御力量。NORAD 全天候履行这一重要使命。

  下表是对之前展示的飞行器在NORAD与COSPAR 编号的不同,可以清晰地识别到NORAD侧重卫星总数上的递增展现,而COSPAR则是在卫星发射时间、顺序及方式上。

      

  注:斯普特尼克1号,又称“卫星一号”或简称史波尼克(俄语:Спутник,原意“旅行者”,诸多欧洲语言音译及英语:Sputnik),是第一颗进入地球轨道的人造卫星,1957年10月4日于前苏联的拜科努尔航天中心发射升空。苏联卫星一号的成功发射引起美国政府的震惊,当时总统艾森豪威尔亲自下令“要查一下美国的教育制度究竟出了什么问题?”并因此促使NASA成立。此外,斯普特尼克1号毫无先兆而成功的发射,导致美国的极大恐慌,并造成斯普特尼克危机,因此亦激起美苏两国之后持续20多年的太空竞赛,成为冷战的一个两强主要竞争点。

  2.3 卫星轨道参数

  太空中的卫星在地球引力的作用下做周期运动,近似就是一个开普勒椭圆轨道。但由于其他力的存在(比如地球的引力场偏差,大气阻力,其他星球的引力等等),实际的轨道和理想的开普勒轨道有偏离。为了确定一个卫星的运行轨道,如下图所示,一般需要6个参数,分别是轨道半长轴,轨道偏心率,轨道倾角,升交点赤经,近地点幅角,过近地点时刻(解释起来又要贴一堆字,还是自行百度吧)。

         

  有一点要指出的是,上面的6个参数并不是唯一的一组可以描述卫星轨道情况的参数,完全也可以选取其他参数,比如轨道周期。但是由于完备的描述也只需要6个参数,所以他们之间存在着固定的换算关系。

  2.4 TLE(Two-Line Element) 两行数据

  1)关于卫星星历

  卫星星历,又称为两行轨道数据(TLE,Two-Line Orbital Element),由美国celestrak发明创立,是用于描述太空飞行体位置和速度的表达式即“两行式轨道数据系统”。

  2)卫星星历格式

  卫星星历的结构为上下两行,每行69个字符,包括0~9、A~Z(大写)、空格、点和正负号,其他字符是无意义的。根据TLE的标准格式定义,第一行与第二行数据的解读方式如下图所示。

       

  3)解析实例

  下面以2015年12月11日查询到的“天宫一号”(Tiangong 1)最新TLE数据为例,数据如下:

      

  参考国内的某篇文章,结果解到最后却在某些数据上出现偏差(你丫故意的吧),在查询了WiKi后,重新绘制了标准化表格,终于可以依照标准TLE格式解析,具体如下表所示(累死我了):

       

  注:Epoch Date and Julian Date Fraction时期换算方式

  当前获取的TLE数据为15345.10877468,是儒略日(JULIAN DAY)计数,也就是从2015年1月1日开始算起的345.10877468天,换算如下:

  345.10877468 days - 345 = 0.10877468 days

  0.10877468 days x 24 hours/day = 2.6106 hours (Hours = 2)

  2.6106 hours - 2 = 0.6106 hours

  0.6106 hours x 60 minutes/hour = 36.636 minutes (Minutes = 36)

  36.636 - 36 = 0.636 minutes

  0.636 minutes x 60 seconds/minute = 38.16 seconds (Seconds = 38.16)

  即345天2小时36分38.16秒,也就是说换算成具体日期就是12月11日02:36:38时刻,不过这是UTC(UTC:Universal Time Coordinated)通用协调时,它与格林威治平均时(GMT:Greenwich Mean Time一样,都与英国伦敦的本地时相同。如果转换为北京时间,则需要加上在北京的时差(8小时),即10:36:38时刻。

  2.5 微型卫星

  微型卫星计划及其组网技术是国际高科技研究的热点之一。说到微型,一般指体积小,重量轻。根据不同的侧重点,有许多不同的称呼。比如,微纳卫星(NanoSat),也有直接翻译为“纳卫星”的,通常指质量在1~10kg 之间具有实际使用功能的卫星;还有一种质量更小的卫星称为“皮卫星”(PicoSat),指质量0.1~1kg之间的卫星。而关注体积的微型卫星最有代表性的是“立方体卫星”(CubeSat),一个边长只有10厘米的立方体。从2003年至今的10年中,全世界发射了200多颗立方体星,失败的不足其10%,而且有不少是运载火箭及其分离机构故障造成的。

  不过目前大多数微型卫星都是缺少推进系统的,所以它们通常只能固定在一个特殊的轨道上运行。缺乏推进系统,卫星无法调整姿态,因此卫星一旦偏离轨道就不可能校正,卫星的寿命相对比较短,一般只有1~3年,有人也将之称为“一次性”卫星,完成任务后就会坠入地球大气层烧毁。目前已发射的皮卫星有美国的Kutesat卫星、MASAT等卫星,日本的Cute-I卫星,韩国的HAUSAT-1卫星等。国内比较出名的微型卫星有浙江大学的“皮星一号”、 “皮星一号A”以及哈尔滨工业大学的“紫丁香2号”等等。

  边长为10厘米的正方体是否已经足够小了呢?一些先行者也正推动CubeSat卫星的进一步“瘦身”。2009年,Twiggs将一颗立方体卫星改造成边长为5厘米的“便携式魔盒”,首批新型的立方体卫星于2013年11月发射升空进行测试。这些示范项目的零件成本只有区区数百美元,其中一些部件只有数十美元,他开玩笑地称之为50美元卫星。到目前为止,受零部件和发射机会所限,新型CubeSat卫星还没有大规模的商业应用。

  翻出一个新闻:2014年4月18日,SpaceX的一艘火箭将Kickstarter公司赞助的价值3万美元的KickSat卫星发射到了国际空间站。两周后,KickSat将从国际空间站吐出,104个邮票大小的“蕊片卫星”(ChipSat)将释放出来。这些芯片卫星配备有无线电发射器,任何人都可以通过拍卖竞价的方式购买,起价300美元一颗。芯片卫星非常轻薄,因此不会因为反复进出大气层而烧坏。这将使得研究者能够绘制地球高层大气中的风力图,或者在深空探测中到火星表面建设一组加速器网络。到目前位置,芯片卫星和袖珍卫星能做的事儿也仅仅是广播他们的位置或短消息,但在不久的将来就会变得很实用,利用层层密布的立方体卫星对目标地物提供全方位、无死角的视野,或将之用于更多一次性任务中。

  0x03 卫星追踪

  3.1 卫星追踪软件Orbitron

  Orbitron 是为业余无线电爱好者和希望目测观察卫星的追星爱好者设计的卫星追踪软件, 这套软件已经被气象专家、卫星通讯、UFO研究玩家和天文爱好者广泛采用。这款软件可以用实时或模拟方式显示任意时刻卫星与地球的相对位置。

  主要功能:

  1)可同时追踪两千颗卫星

  2)全屏显示及简报模式显示

  3)功能先进的过顶时间预测及铱星光迹搜寻

  4)可以通过NTP服务器校正电脑内部时钟

  5)可以通过互联网更新星历数据(支持ZIP压缩格式)

  6)可控制无线电台及卫星天线跟踪器

  下图为工作主界面,在下方的标签页里可以选择各种设定,右侧则能设定具体的卫星对象,据说能跟踪2000多颗卫星及空间站,所以有很多自动化云台都需要和这款软件对接。

       

  3.2 卫星追踪站点

  现在,通过多个国际航空航天及空间组织的平台或站点,查询到卫星的相关信息,比如在日本的“JavaScriptで人工衛星の位置”网站上可以清晰地实时查看到中国“天宫一号”空间实验室的轨道高度、方位等相关信息。

       

  不过除了像NASA这样财大气粗机构的官方查询站点外,也有一些由商业团体或者爱好者个人支撑的查询站点,有些甚至专业得超乎想象,比如这个Gunter's Space Page站,资料极其丰富,支持从卫星、运载火箭、推进器、发射场等多种方式查询,但这一切却是由一个名叫Gunter Krebs的德国人独自建设。

     

  贴图好累,要是我有开水小美女的技能就好了,今天就到这里,下期我们看看如何利用公开资源,跟踪定位各类卫星的技巧,哈哈,包括军事卫星,普通人也能做到哦。

  ......To Be continued

        
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