设计一个便携式离线3D轨道追踪器

SkyCompass 卫星：用于航天器的掌上追踪器

灵感与问题

当我们仰望夜空，看到一个快速移动的光点时，我们常常会问

我们自己：“那是国际空间站，还是中国的天宫?”

现有的卫星追踪器要么是复杂的智能手机应用，其背光过亮会严重干扰我们的夜视能力，要么是需要持续联网的网络服务。作为观星爱好者和业余无线电(HAM)操作者，我们希望拥有一款专为野外使用而设计的、小巧便携、触感直观的设备——它无需蜂窝网络支持，耗电量低，并能提供出色的视觉体验。

SkyCompass卫星是一款独立运行的离线3D航天器雷达，基于M5Stack Cardputer构建。它能准确告诉你何时何地抬头观测，以见证人类轨道上的基地从头顶飞过。

固件已发布至M5Burner

主要特点

1. 实时3D追踪与天文星空

正交3D投影：在Cardputer的TFT屏幕上呈现一个微型旋转地球模型，包含正交相机坐标映射。

真实星空穹顶：采用真实天文坐标(赤经/赤纬)，呈现由25颗最亮恒星(如天狼星、织女星和参宿七)构成的天球背景。系统基于格林尼治均星时(GMST)运行，使这些恒星与真实的夜空完美同步旋转。

2. 动态NASA夜灯(光污染地图)

动态日出/日落城市灯光：在黑暗半球渲染城市灯光，模拟昼夜交替效果。

数学点云：采用NASA VIIRS Black Marble数据集提取的全球2000个最亮光照点(含极坐标噪声过滤)，通过内联优化的数学投影技术，以每秒30帧的速率平滑渲染动态夜光渐变效果。

3. 智能观测推荐与亮度估计

视星等预测：通过分析卫星的雷达截面(RCS)、太阳相位角和观测者距离，实时计算卫星亮度(视星等)。

通视预测：通过确定地球的阴影遮挡情况和高度，对“可见窗口”(AOS/LOS)进行排序并推荐绝对最佳选项。

4. 业余无线电战术伴侣

实时显示上行/下行频率、调制模式(如ISS SSTV、NOAA APT)以及基于距离速率的动态多普勒偏移计算进行调整。是手持收发机或软件定义无线电(SDR)现场卫星通信(联系)的理想伴侣。

5. 高保真无损屏幕流媒体

Cardputer 没有外部 PSRAM，导致 PNG 压缩容易发生内存溢出(OOM)崩溃。

我通过串行接口直接流式传输原始的RGB565帧缓冲区片段来解决这个问题。一台电脑上运行的自定义Python脚本会监听、分离并重建这些帧，生成完美无损的24位BMP截图。

工作原理(核心算法)

•轨道预测：基于SGP4传播模型，利用标准TLE(两行元素)参数计算TEME矢量。

•大地坐标转换：使用高精度的WGS84椭球地球模型，并结合五步迭代收敛算法，将坐标转换为大地纬度/经度。

•真正的离线生存模式：内置GNSS接收器，可获取地理坐标，并将RTC与UTC原子时同步。一旦确定三维定位，便会向GPS硬件发送深睡指令(例如：$PCAS10,0*1C)，从而节省宝贵的电池电量。TLE数据在LittleFS中本地缓存，最长可达48小时。

•力导向UI标签：采用弹簧-质量物理排斥模型，动态将重叠的文本标签在小屏幕上相互推开，确保清晰可读。

架构设计

本文编译自hackster.io