利用低轨卫星数据反演热层大气密度

摘要

热层是人类航天活动的主要区域，热层大气密度变化直接影响着航天器的控制和寿命。广泛应用于航天工程的热层大气经验模式存在较大误差。本文主要探讨了使用卫星精密轨道数据以及加速度计数据反演热层大气密度的方法，并修正了经验模式温度计算偏差，优化了反演算法。
　　本文首先使用低轨卫星精密轨道数据，根据经典大气阻力摄动方程，通过计算卫星半长轴衰减率，反演了热层大气密度。卫星运行过程中总能量受到大气拖曳阻力而衰减。基于这个原理，本文提出一种新的方法，即能量衰减法反演热层大气密度。通过对比分析，我们认为半长轴衰减法和能量衰减法在数学表达上具有一致性，并具有相同的反演精度，而能量衰减法具有更高的计算速度。
　　CHAMP和GRACE卫星携带高精度加速度计，加速度计数据可用于反演热层大气密度，然而加速度计数据需要进行标定方可使用。本文同样根据能量衰减法，采用最小二乘原理对加速度计数据进行标定。这种标定方法与传统的定轨法估计标定系数相比，计算过程更加高效。由于加速度计数据具有较高测量精度与时空分辨率，因此我们将加速度计数据反演密度作为参考密度，与精密轨道数据反演密度进行对比，重点分析了能量衰减法的适用条件。能量衰减法根据单位时间间隔内的能量差，反演该时间间隔内的平均密度。定轨误差会引入测量噪声，而增加时间间隔，可以提高信噪比，进而提高密度反演的可靠性，但另一方面，会降低反演时空分辨率。对于任务后期的CHAMP卫星，我们认为20分钟的时间间隔较为合适;对于定轨精度更高的GRACE卫星，时间间隔可缩短至5分钟。同样，如果单位时间内能量衰减率较大，则噪声的影响也会降低。因此精密轨道数据反演热层大气密度算法准确性与卫星轨道高度和地方时相关。轨道高度越低，地方时越接近正午，大气密度越大，能量衰减率越大，反演精度越高。精密轨道数据反演密度同样可应用于研究热层大气对磁暴的响应。
　　我们将卫星数据反演密度与MSIS00经验模式所得密度进行对比，发现MSIS00计算所得密度在太阳活动低年偏高约25％。这个偏差主要是MSIS00计算逃逸层温度偏高造成的。使用卫星数据反演热层大气密度过程中，需要使用经验模式计算出的大气温度和平均相对分子质量计算大气阻尼系数。我们进一步分析了经验模式温度计算不准确对密度反演造成的影响。将加速度计反演密度作为真实密度，推算逃逸层温度，随后探讨了温度修正对大气阻尼系数及大气密度反演的影响。结果表明，MSIS00计算逃逸层温度相对于我们推算的结果偏高约15％。我们基于上述所得真实逃逸层温度修正大气阻尼系数，发现经验模式温度计算偏差会对大气密度反演造成平均1％～2％，最大约5％的影响。该影响对于研究热层大气密度长期变化以及卫星轨道长时间外推具有显著影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 热层大气概述

1．2 热层大气密度反演研究进展

1．3 本文研究目的及主要内容

第2章 人造地球卫星轨道模型

2．1 时间和坐标系统

2．1．1 时间系统

2．1．2 坐标系统

2．2 两体运动

2．3 力学模型

2．3．1 地球重力场模型

2．3．2 固体潮模型

2．3．3 海潮模型

2．3．4 日、月引力模型

2．3．5 光压模型

2．3．6 动力学模型测试

2．4 数值积分

第3章 CHAMP和GRACE卫星及其数据简介

3．1 CHAMP卫星

3．2 CHAMP卫星数据

3．1．1 CHAMP卫星快速科学轨道

3．1．2 CHAMP卫星加速度计数据

3．1．3 CHAMP卫星坐标系统

3．3 GRACE卫星

第4章 基于卫星精密轨道和加速计数据反演大气密度方法介绍

4．1 半长轴衰减法

4．2 能量守恒法

4．3 使用加速度计数据方法

4．4 计算有效面积和阻尼系数

4．5 最小二乘法计算加速度计数据标定系数

第5章 热层大气密度的反演结果以及相关讨论

5．1 利用CHAMP卫星数据反演密度结果分析

5．1．1 使用不同方法反演结果比较

5．1．2 研究温度对热层大气密度反演的影响

5．2 基于GRACE卫星数据反演密度结果分析

第6章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果