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高层大气密度是怎么测量的?


    我们通常将距离地表90km以上的高空大气称为高层大气,在这个高度以上,大气密度随着高度的增加急剧下降,到200km高度时,大气密度已经约为地面的五亿分之一!尽管那里的大气密度已经如此稀薄,但卫星高速地绕地球运行(约7.9km/s),所受到的大气阻力仍然不可小视。就像当我们在公路上骑行,经常因来自空气的阻力感到吃力一样,卫星也会因为大气阻力的影响而慢慢感到“劳累”从而发生轨道衰减。现有的科学技术已经可以非常准确地模拟出除大气阻力之外卫星所受的各种扰动力,包括地球非球形扰动、日月扰动和辐射光压扰动等,因此大气阻力产生的扰动已经成为卫星定轨和预报的最大误差来源。为了计算出卫星受到的大气阻力,需要尽可能准确地知道那里的大气密度到底是多少,那么如何测量出这里的大气密度呢?下面本文列举出目前几种常见的测量方法。

1 卫星在大气阻力的作用下逐渐衰减

大气密度探测器

    测量高层大气密度的传统方法是采用大气密度探测器进行探测,我国神舟系列飞船和天宫系列飞行器都搭载有该仪器,其主要的工作原理是通过直接探测传感器内的气体压力和温度,并结合由气体分子动力学理论所建立的基本关系式来获得自由大气密度。

    大气密度探测器由传感器、电子线路和结构件组成。传感器由取样室、离子源、B-A规和温度传感器四部分组成。外界环境中的气体分子进入取样室后,经过碰撞其温度被调节成接近器壁的温度,此时原子态的气体充分混合成中性。内置的PN结温度计可直接测量取样室的温度,B-A规电离计可测得传感器内气压。调节后的中性分子到达传感器的感测区,经过电离形成正离子,收集后从正离子流的强度获得传感器内气体的压强。

星载加速仪

    星载加速仪是一种精度非常高的测量方法,重力卫星CHAMPGRACEGOCE和以研究地球磁场为目的的欧空局SWARM卫星均搭载有这种载荷。以CHAMP卫星为例,其携带的是一种三轴静电悬浮星载加速仪,由法国国家空间研究中心(CNES)和法国国家航空空间研究局(ONERA)共同设计制造,下面给出具体的探测原理。

2  CHAMP卫星示意图(加速仪放置于卫星质心处)

3  GRACE-A/B双星示意图

    将试验物体自由地放置于容器中,该容器的器壁装有电极,可以通过静电悬浮作用控制试验物体的运动,通过在传感器单元内部提供一个闭合的环路控制,可准确地使试验物体静止在容器中央。我们将卫星不受外力时的状态称为初始状态,在该状态下,试验物体的质心与卫星质心重合。若卫星只受到地球引力而没有受到任何其他非保守力的影响,则初始状态不变,当卫星受到其他非保守力扰动时(大气阻力、日月、潮汐、光压扰动),试验物体质心就会由于惯性偏离卫星本体质心,并与各内壁的距离产生变化,传感器感应到这种变化后,会立即调整电压,将物体重新“推”回中心位置,这种增加的“电推力”等效于外部受到的非保守力。电压的变化经过换算,就能获得非保守力加速度的大小。这个非保守力又与大气密度直接相关,因此可以计算出对应的大气密度。

 4 CHAMP卫星搭载的加速仪

5 星载加速仪原理图

    星载加速仪数据具有精度高、分辨率高的特点。通过表1可以看出CHAMP加速仪精度达10-9m/s2GRACE卫星精度更是达到10-10m/s2,换算成大气密度,精度可达10-15~10-14kg/m3。而在CHAMPGRACE的高度,大气密度量级约为10-13~10-11 kg/m3。因此通过加速仪数据可以较为准确地测量出卫星轨道处的大气密度。

1 加速仪基本信息

    从表1中我们能够发现目前的高精度加速仪大部分都是法国生产的,遗憾的是,我国目前尚不具备生产如此高精度加速仪的能力。我国航天工程中的加速度计多用于载体的微重力测量系统和高精度惯导系统中,也可用于高精度的静态角度测量系统中,将加速度用于大气反演方面尚无工程先例。如图5是国内工业级的用于惯导方面的加速度计,其分辨率量级约为10-6m/s2

6 星载加速仪原理图

    与加速仪原理类似的一种仪器是“阻力平衡仪”,它由弹簧系统取代静电系统,通过弹簧位移得到阻力,进而得到大气密度。该方法最初由意大利罗马大学率先提出,主要搭载于微小卫星平台。该方法曾为MSIS90模式的建立提供了阻力平衡器数据。

轨道数据反演

    利用卫星轨道数据反演大气密度也是测量大气密度的一项重要来源,许多已知的半经验大气模型都是以这种方法计算得到的大气密度作为数据基础而建立的,如JacchiaCIRA系列模型。其基本原理(图7)是:卫星在大气阻力的作用下会偏离预定轨道,利用轨道参数的变化与大气密度的关系即可反演出大气密度。

7 利用轨道衰减反演大气密度示意图

    近十几年出现了利用卫星两行轨道根数(TLE)反演大气密度的方法。顾名思义,TLE数据是由两行轨道根数组成的,包含了卫星的编号、时间和六个轨道参数(轨道倾角、偏心率、每日绕行圈数、升交点赤经、近地点角距、平近点角)等信息。TLE数据从上世纪50年代起就开始记录,截止20176月底,在编目标已达42000多个,共累计数据1亿多组,因此TLE数据具有良好的空间覆盖率和时空连续性,这为大气密度的反演和研究大气密度的长期变化趋势提供了宝贵的数据来源。

TLE中的每日绕行圈数可以提供轨道衰减信息。卫星在大气阻力的作用下轨道逐渐衰减,导致每日绕行圈数逐渐增加,利用这一参数,并结合其他各项轨道参数与大气密度的关系即可计算出卫星轨道处的大气密度。

 8 2016年天宫一号每日绕行圈数

    由于每颗卫星每天只记录有限的几组TLE数据,因此TLE的时间分辨率并不理想,针对这一问题,近几年又出现了利用卫星高精度GPS数据反演大气密度的方法,该方法原理与TLE类似,但由于GPS数据记录频率高,因此具有非常高的时间分辨率。该方法的缺点是对GPS数据的质量要求非常高,需要GPS精度达到厘米量级,而目前达到这一要求的卫星数据非常少,因此所能反演的大气密度十分有限。

    以上是目前测量大气密度的几种常见方法,所得大气密度即可用来建立新的密度模型,又可对已有的模型进行修正。在实际应用过程中,卫星定轨和预报大部分是用大气模型来模拟大气密度的影响,而现有的模型普遍存在15%以上的误差,因此如何测量出更加准确的大气密度仍然任重而道远。


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