地球低纬区边缘大气密度的预测

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1、第29卷第6期航天器环境工程2012年12月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING637地球低纬区边缘大气密度的预测郭正雄，李文皓，张珩，肖歆昕，刘开磊(中国科学院力学研究所，北京100190)摘要：基于NRLMSISE一00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

2、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'-3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。关键词：地球边缘大气；空间环境；密度波动预测；NRLMSISE．00大气模型中图分类号：P351文献标识码：A文章编号：1673—1379(2012)06—0637—08DoI：10．3969巧．issn．1673．1379

3、．2012．06．0080引言地球边缘大气是指距地高度约80～130km范围内的大气，位于近空间[11的上层，包含了中间层的顶部和热层的底部。从高度上讲，地球边缘大气对各种航空器和低轨航天器都可造成一定的影响，研究其环境特性对于飞行器气动特性设计及控制具有重要的意义。大气密度是大气环境的重要表征，对地球边缘大气内大气密度的准确预测对于确保飞行器的飞行安全至关重要。国外已开展很多大气密度研究工作，Mayr等【2J研究了热层大气密度的年变化、半年变化特性；Jacchia(31、Hedin[4巧1等人在研究大气密度波动规律的

4、同时提出了大气模型，经过不断完善发展成为如今的Jacchia系列和MSIS系列大气模型；其他的大气模型还有DTM、USSA76、CIRA86、JB2006、NASAMET、指数模型等。MSIS一1990大气模型是以实测数据为依据的大气模式，它描述在地球大气中从地面到热层高度的电中性粒子(分子和原子)的温度和密度：该模式在72．5km以下主要以《地图手册》(MapHandbook，Barnett和Corney于1985年著)提供的区域平均温度和压力表格为基础，20km以下的数据用来自美国国家气象中心的平均值补充。72．5

5、km以上MSIS一1990本质上是一个修订了的IvISIS．1986模式，它考虑到源于航天飞机飞行的数据和比较新的不连贯散射结果。国内方面，汪宏波等【6J讨论了不同太阳辐射指数对大气模型精度的影响，秦国泰等[7-9]利用“神舟二号”和“神舟三号”飞船携带的大气密度探测器所得到的数据分析了所在高度上大气密度的分布规律以及强磁暴对大气密度的影响。NRLMSISE一00模型[10-11]是MSIS系列的最新版本，具有较高的可信度，然而其缺陷是使用不便，需要较多的输入量，包括时间、日地空间环境参数、经纬度等。在航空航天工程计算

6、中，常用的是指数大气模型及USSAl976大气模型，因为它们计算相对简单并且使用方便，然而其精度与NRLMSISE一00相比较差，尤其是在精度要求比较高的气动力计算方面其缺陷十分明显，不能满足工程要求。因此如何给出精度较高且使用方便的大气模型是一个具有一定现实意义的研究课题。本文基于太阳活动及地磁活动的周期特性提出了简化模型预测法，在减少模型输入量情况下可预测大气密度变化趋势，同时对第24个太阳活动收稿日期：2012—05—07；修回日期：2012—11．19基金项目：国家自然科学基金项目“低轨航天器磁推进方法研究”(

7、编号：11002143)作者简介：郭正雄(198仁)，男，博士研究生，主要从事飞行器环境、动力学和控制研究。E—mail：guoxion91986@sina．corn。638航天器环境工程第29卷周期即2007—2017年的大气密度波动趋势进行了预测；提出了直接利用第23个太阳活动周期的日平均密度变化曲线，通过傅里叶变换消噪处理得到日平均密度变化规律的经验预测法。利用这两种方法均建立了预测第24个太阳活动周期的大气密度数据库，进而用于地球边缘大气环境下的飞行仿真计算。1日地空间环境对地球低纬地区边缘大气密度的影响地球边

8、缘大气密度具有较强的时变特性，随着时间推移，大气密度相应发生变化，其中重要原因是均有周期波动特性的地球磁场活动、太阳活动【12。HJ。1843年，Schwabe首先发现了太阳黑子的活动周期约为11年，该周期也被称为Schwabe周期。地磁活动与太阳活动紧密相关，均有11年准周期特性，地磁活动的周期滞后太阳活动约l～2年【l51。产