NRLMSISE-00大气模型与GRACE和CHAMP卫星大气密度数据的对比分析

利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002--2008年的大气密度数据与NRLMSISE-00大气模型密度结果进行比较,分析了模型密度误差及其特点.结果显示,NRLMSISE-00大气模型计算的密度值普遍偏大,其相对误差随经纬度变化,在高纬度相对较小;相对误差随地方时变化,在02:00 LT和15:00 LT左右较大,10:00 LT和20:00 LT左右较小.通过模型密度相对误差与太阳F_(10.7)指数的对比分析发现,在太阳活动低年模型相对误差最大,而在太阳活动高年相对误差较小;将模型结果分别与GRACE A/B双星和CHAMP卫星的密度数据进行比较,发现对于轨道高度更高的GRACE卫星轨道,模型相对误差更大;在地磁平静期,相对误差与地磁ap指数(当前3 h)相关性不强,但是在大磁暴发生时,误差急剧增大.

基于卫星数据和NRLMSISE-00模型的低轨道大气密度预报修正方法

NRLMSISE-00大气模型广泛应用于航天器定轨和预测等方面,但存在着较大的误差,尤其是在短期变化方面.为了提高低轨道大气密度短期预报的精度,我们提出了一种基于实测数据对NRLMSISE-00大气模型密度结果进行修正预报的方法:利用GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)和CHAMP(Challenging MiniSatellite Payload)卫星2002—2008年大气密度探测数据对NRLMSISE-00模型进行误差分析,获得模型的修正因子,再对模型的大气密度结果进行修正.采用该修正方法对GRACE-A和CHAMP卫星轨道上的大气密度进行3天短期预报试验验证,结果表明可显著提高大气密度的预报精度,在太阳活动低年,修正后的大气密度预报误差比NRLMSISE-00模型误差降低50%以上.

NRLMSISE-00大气模型的分析和验证

为将NRLMSISE-00仿真模型用于近地航天器定轨预报,介绍了NRLMSISE-00大气模型及其相对于Jacchia系列模型的优势,设计了基于预测性验证的模型检验方法,检验了NRLMSISE-00仿真模型的一致性,对比了NRLMSISE-00模型和Jacchia-70模型对近地轨道定轨预报程序预报精度的影响。结果表明：NRLMSISE-00模型具有更高的预报精度,该检验方法对解决仿真模型的检验验证问题具有参考作用。

基于实测数据的大气密度反演方法及应用研究

针对中长期的平均大气密度反演问题,以我国典型遥感卫星运行轨道数据作为基础,采用实测数据反演大气密度并对MSIS00模型进行局部修正,并将修正后的模型应用于遥感卫星推进剂的预算,仿真结果表明:得到的修正大气模型具有较高的准确度,且采用修正后的大气模型得到的轨道维持推进剂消耗比修正前减少了近35%,达到了在保障卫星安全运行基础上最大限度降低整星质量的目的。研究结果还可用于我国未来航天器的高精度轨道预报、推进剂预算、碰撞规避等任务。

利用星载加速度计数据反演高层大气密度的方法

为有效监测高层大气密度,研究利用CHAMP卫星的加速度计数据和相关测量数据反演高层大气密度的方法,该方法采用卫星切线方向的加速度观测数据和动力学模型计算大气密度,运用HWM93模式模拟风场。并对反演的误差进行了详细分析,反演的总误差为10%~15%,将中低纬度CHAMP密度数据与NRLM-SISE00模式值进行比对,结果显示两者有较好的一致性,平均残差为0.03,均方根误差为0.23。此外,数据显示磁暴时大气密度明显增大,并存在清晰的波动特征。结果表明,该方法可以有效地反演大气密度。

中国上空过渡流区大气月平均状态的模拟结果

利用美国海军研究实验室在MSIS 系列模型基础上发展的大气模型NRLMSISE-00,模拟研究了2001 年-2013 年中国上空过渡流区80～140 km 高度的大气状态.对于中国东部和中部过渡流区,基于模拟数据得到的月平均结果显示大气密度和温度呈现-致的变化趋势,还表现出与太阳活动的显著关联.谱分析的结果显示,在90 km 高度以上大气密度呈现半年周期变化,在90～110 km 高度范围这种半年变化的幅度随纬度增大.在100 km 高度,上半年出现的半年周期过程中密度的最大、最小值分别出现在3 月和6 月,明显超前中、高热层的半年周期过程.

地球低纬区边缘大气密度的预测

基于NRLMSISE-00大气模型讨论日地空间环境对地球低纬度地区边缘大气密度的影响,提出预测地球低纬地区边缘大气日平均密度的简化模型法和经验法。简化模型法利用地磁活动和太阳活动的11年准周期特性,通过预测地磁活动和太阳活动的变化规律以预测地球边缘大气密度。经验法则直接利用第23个太阳活动周期的日平均密度变化曲线经过傅里叶变换处理得到日平均密度变化规律曲线,然后将曲线拟合得到不同高度下的密度昼夜波动规律,再利用预测得到的日平均密度即可计算出具体当地时间对应的密度情况。误差分析说明经验预测法比简化模型法精度更高。两种方法均具有较高的精度并且使用方便,可用于地球边缘大气密度的工程化预测计算。

基于CHAMP卫星观测数据对热层大气密度的经验正交分析

对2003年(太阳活动较高年)至2007年(太阳活动低年)CHAMP卫星的热层大气密度观测数据进行了经验正交函数(EOF)分析,得到了400 km高度上白天平均大气密度ρ的太阳活动周变化与年度变化等不同变化分量.研究结果表明,ρ受太阳活动影响较大,其太阳周变化分量与F_(10.7)指数变化之间的相关系数可高达94.5%;ρ的太阳周变化分量随纬度增加而减小,且在中高纬地区,南半球的值明显大于北半球的值,在低纬地区则出现基本对称的双峰分布,即赤道质量密度异常(EMA)结构.在ρ的年变化中,呈现出明显的季节变化,即夏季低冬季高;同时ρ的年变化幅度随太阳活动增加而增强,随纬度增加而增强.将本文结果与经验模式NRLMSISEOO在观测条件下的输出数据进行对比,发现两者的太阳周变化与年变化分量基本一致,但本文观测数据的太阳周成分随纬度变化略小,年变化幅度略大,且NRLMSISEOO模式不能再现EMA结构.研究结果对揭示热层气候学变化特征具有重要意义.

基于IRI电离层模型的低频天波信号特性分析

研究电离层对低频天波信号的影响对其在远程导航授时中的应用具有重要意义.文中结合IRI电子密度模型和NRLMSISE-00大气模型,采用分层半空间中平面波传播的准一维双线性变换时域有限差分方法,计算了低频天波经电离层的反射信号,分析了反射信号幅度、时延、多径随入射角度、一天中的时间及季节的变化.仿真结果表明:对于TE波,随着入射角度的增大,反射系数幅度先减小后增大;一天中经电离层反射的罗兰C低频天波信号幅度相差最大可达32.22 dB,时延差可达69.03μs;经电离层反射的罗兰C低频天波信号一般包含一个完整的罗兰信号,在昼夜过渡时会出现两个信号.

中国空间站轨道大气密度原位实测值与业务模型的对比分析

为修正和建立空间站特有的大气经验模型,降低其预测误差,利用2022─2023年期间中国空间站大气密度原位实测值与业务模型值,包括NRLMSISE00模型、JB2008模型,对比分析3种数据集在不同空间环境下的响应差异。结果表明:NRLMSISE00模型值与实测值相当,日均值比实测值高出约34%,而JB2008模型日均值比实测值低274%,尤其在2023年夏季,实测值为JB2008模型值4~5倍;相比于JB2008模型,NRLMSISE00模型与实测值的相关性更强;3种数据集与太阳辐射指数的相关性R_(NRLMSISE00)≈R_(Observed)>R_(JB2008),而不同太阳辐射指数的相关性R_(S10)>R_(Y10)>R_(M10)>R_(F10);对于不同等级地磁活动的响应,平静期间NRLMSISE00模型值相对于原位实测值差异主要集中在太阳日照区域,最大差约为16%,JB2008模型值在太阳日照区域比实测值低约25%,在太阳阴影区域低至40%;在中强磁暴期间,NRLMSISE00模型值相对原位实测值的差异能达到50%,JB2008模型值在日侧赤道区域、在阴影区比实测值分别高30%、低60%,表明JB2008模型在中强磁暴期间的地方时响应存在明显差异。综合分析比较结果,在空间站轨道高度NRLMSISE00模型优于JB2008模型。分析结果可为业务模型的修正和使用奠定研究基础。

基于LSTM神经网络的热层大气密度模型校正

目前,主要用经验模型进行热层大气密度建模和预测,但存在较大误差,因此提出一种基于长短期记忆神经网络的热层大气密度模型校正方法,以减少经验模型计算的密度误差。该方法将NRLMSISE-00模型计算的密度、太阳和地磁活动指数作为基础输入,以CHAMP卫星的加速度计密度数据为目标值,获得NRLMSISE-00的模型误差。结果表明,校正后模型的精度显著优于原始模型的精度。

基于TIMED/SABER卫星温度数据对大气经验模型的评估

以TIMED/SABER观测的2002–2016年共计15年的全球温度数据为标准,与USSA-76及NRLMSISE-00模式温度数据对比分析.通过计算大气模式与卫星观测的温度偏差、温度偏差的标准差及均方根误差,分析两种大气模型的适用性.通过设置模式与卫星观测温度偏差,计算不同纬度地区温度偏差要求下模式的置信度.结果表明:(1)两个大气模型计算的温度数据与卫星观测的温度数据随高度的变化具有较好的一致性;(2) NRLMSISE-00模式的日平均和月平均精度高于USSA-76模式;(3)两个大气模式在冬夏季高纬地区及中纬地区UMLT高度表征真实大气的能力有待提高, NRLMSISE-00模式表征真实大气的能力整体优于USSA-76模式;(4)同一模式在相同纬度地区和温度偏差要求下,置信度随着高度的升高而降低;相同的高度和温度偏差要求下,置信度随着纬度的升高而降低.通过分析USSA-76和NRLMSISE-00模式与卫星观测数据之间的差异,对大气模式在工程中的应用提供参考,为大气模式的后续修正提供依据.