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(yàn)?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(jì)數(shù)據(jù)反演熱層大氣密度的方法，并修正了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ綔囟扔?jì)算偏差，優(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(jì)算衛(wèi)星半長軸衰減率，反演了熱層大氣密度。衛(wèi)星運(yùn)行過程中總能量受到大氣拖曳阻力而衰減?；谶@個(gè)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(rèn)為半長軸衰減法和能量衰減法在數(shù)學(xué)表達(dá)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(jì)算速度。
　　CHAMP和GRACE衛(wèi)星攜帶高精度加速度計(jì)，加速度計(jì)數(shù)據(jù)可用于反演熱層大氣密度，然而加速度計(jì)數(shù)據(jù)需要進(jìn)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(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。這種標(biāo)定方法與傳統(tǒng)的定軌法估計(jì)標(biāo)定系數(shù)相比，計(jì)算過程更加高效。由于加速度計(jì)數(shù)據(jù)具有較高

3、測量精度與時(shí)空分辨率，因此我們將加速度計(jì)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(jìn)行對比，重點(diǎn)分析了能量衰減法的適用條件。能量衰減法根據(jù)單位時(shí)間間隔內(nèi)的能量差，反演該時(shí)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(shí)間間隔，可以提高信噪比，進(jìn)而提高密度反演的可靠性，但另一方面，會降低反演時(shí)空分辨率。對于任務(wù)后期的CHAMP衛(wèi)星，我們認(rèn)為20分鐘的時(shí)間間隔較為合適;對于定軌精度更高的GRACE衛(wèi)星，時(shí)間間隔可縮短至5分鐘。同樣

4、，如果單位時(shí)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(zhǔn)確性與衛(wèi)星軌道高度和地方時(shí)相關(guān)。軌道高度越低，地方時(shí)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(yàn)?zāi)Ｊ剿妹芏冗M(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)MSIS00計(jì)算所得密度在太陽活動低年偏高約25％。這個(gè)偏差主要是MSIS00計(jì)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(yàn)?zāi)Ｊ接?jì)算出的大氣溫度和平均相對分子質(zhì)量計(jì)算大氣阻尼系數(shù)。我們進(jìn)一步分析了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ綔囟扔?jì)算不準(zhǔn)確對密度反演造成的影響。將加速度計(jì)反演密度作為真實(shí)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(jì)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(shí)逃逸層溫度修正大氣阻尼系數(shù)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ綔囟扔?jì)算偏差會對大氣密度反演造成平均1％～2