C++ - ISS 位置・速度（BLH(WGS84)座標）一覧 JSON 生成！
Updated:
前回、 C++ で NASA 提供の最新の TLE（2行軌道要素形式）から任意の時刻（JST; 日本標準時）の ISS の位置・速度（WGS84 座標; いわゆる、緯度・経度・高度(BLH)という座標）を、 SGP4 アルゴリズムを用いて計算しました。
今回は、応用として、10秒間隔で2日分の JSON データを生成します。
0. 前提条件
- Debian GNU/Linux 10.10 (64bit) での作業を想定。
- GCC 10.2.0 (G++ 10.2.0) (C++17) でのコンパイル＆ビルドを想定。
- ここでは、各種座標系、 SGP4 アルゴリズム（Simplified General Perturbations Satellite Orbit Model 4; NASA, NORAD が使用している、近地球域の衛星の軌道計算用で、周回周期225分未満の衛星に使用すべきアルゴリズム）等についての詳細は説明しない。（各種座標系については次項で概要のみ説明）
1. 各種座標系について（概要）
- TEME 座標とは「真赤道面平均春分点」のことで、 “True Equator, Mean Equinox” の略。
- PEF 座標とは「擬地球固定座標系」のことで、 “Pseudo Earth Fixed” の略。
- ECEF 座標とは「地球中心・地球固定直交座標系」のことで、 “Earth Centered, Earth Fixed” の略。
- WGS84 座標とは「世界測地系1984」のことで、 “World Geodetic System 1984” の略。 GPS で使用する測地系。
2. C++ ソースコードの作成
ここでは、実行部分のみ掲載。（全てのコードは GitHub リポジトリとして公開している）
File: iss_sgp4_json.cpp
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指定日時から48時間分の ISS 位置／速度を計算し、 JSON 出力
: 但し、座標系は BLH(Beta(Latitude), Lambda(Longitude), Height)
DATE AUTHOR VERSION
2021.06.10 mk-mode.com 1.00 新規作成
Copyright(C) 2021 mk-mode.com All Rights Reserved.
---
引数 : JST（日本標準時）
書式：最大23桁の数字
（先頭から、西暦年(4), 月(2), 日(2), 時(2), 分(2), 秒(2),
1秒未満(9)（小数点以下9桁（ナノ秒）まで））
無指定なら現在(システム日時)と判断。
---
MEMO:
TEME: True Equator, Mean Equinox; 真赤道面平均春分点
PEF: Pseudo Earth Fixed; 擬地球固定座標系
ECEF: Earth Centered, Earth Fixed; 地球中心・地球固定直交座標系
***********************************************************/
#include "blh.hpp"
#include "eop.hpp"
#include "sgp4.hpp"
#include "time.hpp"
#include "tle.hpp"
#include <cstdlib> // for EXIT_XXXX
#include <ctime>
#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
namespace iss_sgp4_json {
static constexpr char kFOut[] = "iss.json"; // 書き込みファイル
static constexpr unsigned int kDay = 2; // 計算日数(日)
static constexpr unsigned int kSec = 10; // 計算間隔(秒)
static constexpr double kSecD = 86400.0; // 秒数(1日分)
}
int main(int argc, char* argv[]) {
namespace ns = iss_sgp4_json;
std::string f(ns::kFOut); // 書き込みファイル
std::string tm_str; // time string
unsigned int s_tm; // size of time string
unsigned int i; // loop index
unsigned int j; // loop index
int s_nsec; // size of nsec string
int ret; // return of functions
struct tm t = {}; // for work
struct timespec jst; // JST
struct timespec utc; // UTC
struct timespec ut1; // UT1
struct timespec tai; // TAI
struct timespec jst_wk; // JST(作業用)
struct timespec utc_wk; // UTC(作業用)
struct timespec ut1_wk; // UT1(作業用)
struct timespec tai_wk; // TAI(作業用)
double pm_x; // 極運動(x)
double pm_y; // 極運動(y)
double lod; // LOD
std::string lod_str; // LOD 文字列
std::vector<std::string> tle; // TLE
ns::Satellite sat; // 衛星情報
ns::PvTeme teme; // 位置・速度(TEME)
ns::PvBlh blh; // 位置・速度(BLH)
try {
// 現在日時(UT1) 取得
if (argc > 1) {
// コマンドライン引数より取得
tm_str = argv[1];
s_tm = tm_str.size();
if (s_tm > 23) {
std::cout << "[ERROR] Over 23-digits!" << std::endl;
return EXIT_FAILURE;
}
s_nsec = s_tm - 14;
std::istringstream is(tm_str);
is >> std::get_time(&t, "%Y%m%d%H%M%S");
jst.tv_sec = mktime(&t);
jst.tv_nsec = 0;
if (s_tm > 14) {
jst.tv_nsec = std::stod(
tm_str.substr(14, s_nsec) + std::string(9 - s_nsec, '0'));
}
} else {
// 現在日時の取得
ret = std::timespec_get(&jst, TIME_UTC);
if (ret != 1) {
std::cout << "[ERROR] Could not get now time!" << std::endl;
return EXIT_FAILURE;
}
}
// 書き込みファイル open
std::ofstream ofs(f);
if (!ofs) return 0;
// LOOP (日)
ofs << "{" << std::endl;
ofs << " \"counts\": " << ns::kSecD * ns::kDay / ns::kSec
<< "," << std::endl;
ofs << " \"data\": [" << std::endl;
ofs << std::setprecision(12);
for (i = 0; i < ns::kDay; ++i) {
jst = ns::ts_add(jst, i * ns::kSecD);
// EOP データ取得
utc = ns::jst2utc(jst);
ns::Eop o_e(utc);
pm_x = o_e.pm_x;
pm_y = o_e.pm_y;
lod = o_e.lod;
ut1 = ns::utc2ut1(utc);
tai = ns::utc2tai(utc);
// LOOP (指定秒間隔)
for (j = 0; j < int(ns::kSecD); j += ns::kSec) {
jst_wk = ns::ts_add(jst, j);
utc_wk = ns::ts_add(utc, j);
ut1_wk = ns::ts_add(ut1, j);
tai_wk = ns::ts_add(tai, j);
// TLE 読み込み, gravconst 取得
ns::Tle o_t(ut1_wk);
tle = o_t.get_tle();
// ISS 初期位置・速度の取得
ns::Sgp4 o_s(ut1_wk, tle);
sat = o_s.twoline2rv();
// 指定 UT1 の ISS 位置・速度の取得
teme = o_s.propagate(sat);
// TEME -> BLH 変換
ns::Blh o_b(ut1_wk, tai_wk, pm_x, pm_y, lod);
blh = o_b.teme2blh(teme);
// 結果出力
ofs << " {" << std::endl;
ofs << " \"jst\": \"" << ns::gen_time_str(jst_wk) << "\","
<< std::endl;
ofs << " \"utc\": \"" << ns::gen_time_str(utc_wk) << "\","
<< std::endl;
ofs << " \"latitude\": " << blh.r.b << "," << std::endl;
ofs << " \"longitude\": " << blh.r.l << "," << std::endl;
ofs << " \"height\": " << blh.r.h << "," << std::endl;
ofs << " \"velocity\": " << blh.v << std::endl;
if (i == 1 && j == int(ns::kSecD) - ns::kSec) {
ofs << " }" << std::endl;
} else {
ofs << " }," << std::endl;
}
}
}
ofs << " ]" << std::endl;
ofs << "}" << std::endl;
// 書き込みファイル close
ofs.close();
} catch (...) {
std::cerr << "EXCEPTION!" << std::endl;
return EXIT_FAILURE;
}
return EXIT_SUCCESS;
}
3. ソースコードのビルド（コンパイル＆リンク）
- リポジトリに
Makefileがあるので、それを使用してmakeするだけ。（リビルドする際はmake cleanをしてから）
$ make
4. 準備
- うるう秒ファイルを こちら からダウンロードし、実行プログラムと同じディレクトリ内に
Leap_Second.datとして配置する。 - 地球姿勢（回転）パラメータ用のデータファイルを、当ブログ過去記事「C++ - EOP（地球姿勢パラメータ）データファイル 生成！」を参考に生成し、実行プログラムと同じディレクトリ内に
eop.txtとして配置する。（計算対象日の EOP データが存在しないと、計算できないので注意） - TLE（Two-line elements; 2行軌道要素形式）データを こちら からダウンロードし、実行プログラムと同じディレクトリ内に
tle.txtとして配置する。 - 今回は10秒間隔で2日分の JSON データを生成するが、変更したければ、実行プログラムのソースコード内で変更する。
5. 動作確認
コマンドライン引数には計算開始の JST（日本標準時） を最大23桁（年(4)・月(2)・日(2)・時(2)・分(2)・秒(2)・ナノ秒(9)）で指定し、実行。（JST を指定しない場合は、システム時刻を JST とみなす）
$ ./iss_sgp4_json 20210620120000
正常に終了すれば、実行プログラムと同じディレクトリ内に iss.json というファイルが生成されるはずなので、確認してみる。
File: iss.json
{
"counts": 17280,
"data": [
{
"jst": "2021-06-20 12:00:00.000",
"utc": "2021-06-20 03:00:00.000",
"latitude": 30.6852287033,
"longitude": 42.4874645672,
"height": 420.157879821,
"velocity": 7.66381350115
},
{
"jst": "2021-06-20 12:00:10.000",
"utc": "2021-06-20 03:00:10.000",
"latitude": 31.1337983271,
"longitude": 42.9888055227,
"height": 420.208711161,
"velocity": 7.66384675711
},
:
===< 中略 >===
:
{
"jst": "2021-06-22 11:59:40.000",
"utc": "2021-06-22 02:59:40.000",
"latitude": 29.9612854401,
"longitude": 29.8458082217,
"height": 420.194896958,
"velocity": 7.66352515201
},
{
"jst": "2021-06-22 11:59:50.000",
"utc": "2021-06-22 02:59:50.000",
"latitude": 30.4134578348,
"longitude": 30.3391444088,
"height": 420.243986755,
"velocity": 7.6635598178
}
]
}以上。
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