热层大气密度反演与建模研究进展

热层是位于地球表面大约90 km到近1000 km的大气圈层,它与电离层和低层大气都存在着复杂的耦合关系;同时热层作为人类航天器空间活动的主要区域,其大气直接影响着各类低轨航天器的运行轨迹.近年来,热层大气观测资料的逐步增加推动了热层大气变化特性的研究和大气模式的发展.本文首先综述了基于多源卫星观测数据的热层大气密度反演算法.着重介绍了基于精密轨道数据以及加速度计数据反演密度的主要算法,以及各种反演策略的优缺点.总结了当前工程常用的MSIS、Jacchia以及DTM热层大气模式在数据源、算法实现过程及其适用范围等方面的异同.接着介绍了基于当前最新大气密度观测数据结合已有大气模式,应用多项式、稀疏矩阵拟合以及数据同化等技术的大气模式优化研究进展.最后概述了基于观测数据研究热层大气响应磁暴、耀斑以及日食等空间事件方面的科学进展.

大气阻力引起卫星轨道衰减的数值模拟

本文以德国低轨道卫星CHAMP为例,联合考虑地球扁率和大气阻力摄动的影响,对相应摄动方程进行数值积分,计算轨道根数变化,并进而计算得到卫星空间位置,由此模拟考察大气阻力引起的轨道高度衰减.模拟中使用综合考虑了太阳辐射和磁暴等多种因素影响的最新国际大气标准JB2008模式来计算热层大气密度.选取CHAMP卫星轨道高度自然衰减(无点火提升卫星高度操作)的2005全年进行模拟;为了考察不同年份阻力系数的可能变化,对2002年1—3月处在较大高度的轨道也进行了模拟.考虑到CHAMP卫星的特殊几何构形及飞行高度的热层温度条件,取阻力系数大于2.8,并在一定范围内变化,以求得模拟与实际轨道衰减符合较好.结果表明,对于2005年,阻力系数为2.91时模拟得到的轨道高度的衰减与实际轨道衰减符合得最好,模拟与实际轨道半长轴全年的标准偏差为81m;在卫星高度稍高的2002年,模拟的最佳阻力系数为3.0;模拟所得最佳阻力系数值比传统使用的值2.2大30%以上.由于在模拟中忽略了高阶保守力分量,所得近/远地点高度没有出现实际轨道所显示的周期性起伏.