基于实测数据的大气密度模型修正方法

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1、工程技术载人航天2011年第3期基于实测数据的大气密度模型修正方法杜凯-王家松1’2靳忠涛1(1中国西安卫星测控中心2宇航动力学国家重点实验室)摘要大气阻力摄动是低轨航天器的重要摄动源。实测大气密度比大气模型更能反映实际情况．基于实测大气密度的预报技术可以提高低轨航天器轨道预报精度。本文基于实测大气密度，给出一种通过旋转、平移，缩放实现模型和实测值贴合的模型修正方法，以提高预报精度，并以在轨600kin高度卫星为例进行试算，证明该方法有效。关键词大气密度预报精度摄动力分类号V520．1文献标识码A文章编号1674—5825(2011)03—

2、0015—071引言高层大气对人造卫星的运行将产生阻力。这种阻力对于低轨卫星是主要摄动力之一【l】。因此，掌握高层大气密度的变化规律对轨道计算十分重要。125km以上高层大气基本上处于扩散平衡状态，变化机制非常复杂，大气密度基本上是按指数率随高度的增加而递减。同时也随太阳活动、时间、季节、纬度和地磁活动的变化而变化。许多实验证明，所有这些变化都是通过大气温度发生变化而使大气密度变化的。顶层温度与太阳的10．7em射电辐射流量E盯有很好的线性相关。而大气密度分布取决于温度分布，所以可用羁"的变化来反映顶层温度和大气密度的变化。当局们变大时顶层

3、温度变高，大气密度也变大。高层大气密度的变化规律非常复杂，其重要的变化规律如下：(1)与太阳活动有关的变化太阳紫外辐射使地球高层大气温度升高。太阳活动愈强，其紫外辐射也愈强。太阳紫外辐射来源于两部分：一部分来自太阳视圆面，另一部分来自太阳视圆面中的活动区(黑子、耀斑等)。(2)周日变化由于地球的自转，在日照半球大气接受的太阳辐射比非日照半球要多，因此，白昼大气密度比黑夜的大。(3)与太阳粒子辐射有关的变化①地磁活动的影响地磁变化会引起高层大气温度和密度的变化，特别是1d。2d的短期波动。当地磁指数【2l变大时，大气顶层温度升高，密度增加。密

4、度的变化幅度随高度的增加而增加，一直到氦气带再减小。密度变化比地磁变化延迟6h一7h。一般情况下(非磁暴)地磁变化可能造成大气密度变化20％左右。②半年周期变化大气密度的半年周期变化表现为4月、10月大气密度达到极大；1月、7月达极小。其变化相位与太阳活动的相位无关。7月份的极小值较1月份的极小值更小，10月份的极大值比4月份的极大值更大。因此又称年——半年周期变化。极大密度与极小密度之比随高度的增加而增加，至800kin开始减小。(4)季节——纬度变化大气密度的周El变化中周Et峰的位置随季节而发生纬度方向的变化。除此之外，大气密度还有与

5、周日变化无关的季节——纬度变化，即在高纬度区一定高度上氦的密度的季节变化。在北半球冬季高纬度区氦的密度明显增大，称“冬季氦突出”。冬季与夏来稿日期：201l删l；修回日期：2011-04-15。作者简介：杜凯(1978．01一)，男，硕士，工程师，主要从事卫星精密轨道确定工作。15载人航天2011年第3翌三型—_———————————————————-—-_●-l_-●____l●——_——_—-——l-●I_—_———_———————————————————————————————一。一。季氦分子浓度之比为3～4倍左右。日至4月6日；4月

6、5日至4月7日)进行实测大气(5)不规则变化密度与MSIS90大气密度模型比较，结果见下表1，地磁活动和太阳不规律变化(如磁暴)会引起地四个弧段实测密度与模型密度如图l至图4。球高层大气密度的突然变化。这种变化一般幅度较大，持续时间较短，大约为ld～2d左右。在实际的航天飞行任务中，尤其针对低轨卫星，大气密度是很重要的摄动源。本文基于实测大气密度。重点解决某一时间之后没有实测大气密度的低轨航天器轨道预报问题。方法是针对已有的实测大气密度，提出一种基于实测大气密度的密度模型修正技术。由于实测大气密度数据的获取较少，本文针对一在轨600kin高

7、度卫星(选取的数据为2009年4月初数据)，选取四个弧段(每个弧段时间为两天，分别为4月2日至4月4日；4月3日至4月5日；4月416表1实测大气密度与MSIS90模型密度比较弧段平均偏差(10-13l叫m3)偏差百分比％弧段l0．059813％弧段20．0176．59％弧段30．01837．2％弧段40．02278．87％从图1．3上可以看出：实测大气密度由于测量误差原因，会产生个别跳点，在使用过程中应加以剔除，此外，实测密度数据和模型密度数据在每一个轨道周期内呈现规律性变化，而且实测密度变化振幅要小于模型密度。从上表l可以看出，选择的四

8、段实测密度数据与模型偏差在10％左右。图1弧段1实测密度与MSIS90模型比较时间／rain图2弧段2实测密度与MSISgO模型比较98765432l。暑鼍越镩旷K工程技术载人航