利用低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演熱層大氣密度.pdf

1、熱層是人類航天活動的主要區(qū)域，熱層大氣密度變化直接影響著航天器的控制和壽命。廣泛應(yīng)用于航天工程的熱層大氣經(jīng)驗?zāi)Ｊ酱嬖谳^大誤差。本文主要探討了使用衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)以及加速度計數(shù)據(jù)反演熱層大氣密度的方法，并修正了經(jīng)驗?zāi)Ｊ綔囟扔嬎闫?，?yōu)化了反演算法。
　　本文首先使用低軌衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)典大氣阻力攝動方程，通過計算衛(wèi)星半長軸衰減率，反演了熱層大氣密度。衛(wèi)星運行過程中總能量受到大氣拖曳阻力而衰減?；谶@個原理，本文提出一種新的方

2、法，即能量衰減法反演熱層大氣密度。通過對比分析，我們認為半長軸衰減法和能量衰減法在數(shù)學(xué)表達上具有一致性，并具有相同的反演精度，而能量衰減法具有更高的計算速度。
　　CHAMP和GRACE衛(wèi)星攜帶高精度加速度計，加速度計數(shù)據(jù)可用于反演熱層大氣密度，然而加速度計數(shù)據(jù)需要進行標(biāo)定方可使用。本文同樣根據(jù)能量衰減法，采用最小二乘原理對加速度計數(shù)據(jù)進行標(biāo)定。這種標(biāo)定方法與傳統(tǒng)的定軌法估計標(biāo)定系數(shù)相比，計算過程更加高效。由于加速度計數(shù)據(jù)具有較高

3、測量精度與時空分辨率，因此我們將加速度計數(shù)據(jù)反演密度作為參考密度，與精密軌道數(shù)據(jù)反演密度進行對比，重點分析了能量衰減法的適用條件。能量衰減法根據(jù)單位時間間隔內(nèi)的能量差，反演該時間間隔內(nèi)的平均密度。定軌誤差會引入測量噪聲，而增加時間間隔，可以提高信噪比，進而提高密度反演的可靠性，但另一方面，會降低反演時空分辨率。對于任務(wù)后期的CHAMP衛(wèi)星，我們認為20分鐘的時間間隔較為合適;對于定軌精度更高的GRACE衛(wèi)星，時間間隔可縮短至5分鐘。同樣

4、，如果單位時間內(nèi)能量衰減率較大，則噪聲的影響也會降低。因此精密軌道數(shù)據(jù)反演熱層大氣密度算法準確性與衛(wèi)星軌道高度和地方時相關(guān)。軌道高度越低，地方時越接近正午，大氣密度越大，能量衰減率越大，反演精度越高。精密軌道數(shù)據(jù)反演密度同樣可應(yīng)用于研究熱層大氣對磁暴的響應(yīng)。
　　我們將衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演密度與MSIS00經(jīng)驗?zāi)Ｊ剿妹芏冗M行對比，發(fā)現(xiàn)MSIS00計算所得密度在太陽活動低年偏高約25％。這個偏差主要是MSIS00計算逃逸層溫度偏高造成的。

5、使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演熱層大氣密度過程中，需要使用經(jīng)驗?zāi)Ｊ接嬎愠龅拇髿鉁囟群推骄鄬Ψ肿淤|(zhì)量計算大氣阻尼系數(shù)。我們進一步分析了經(jīng)驗?zāi)Ｊ綔囟扔嬎悴粶蚀_對密度反演造成的影響。將加速度計反演密度作為真實密度，推算逃逸層溫度，隨后探討了溫度修正對大氣阻尼系數(shù)及大氣密度反演的影響。結(jié)果表明，MSIS00計算逃逸層溫度相對于我們推算的結(jié)果偏高約15％。我們基于上述所得真實逃逸層溫度修正大氣阻尼系數(shù)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗?zāi)Ｊ綔囟扔嬎闫顣Υ髿饷芏确囱菰斐善骄?％～2