基于能量衰减法利用CHAMP卫星精密轨道数据反演热层大气密度

利用CHAMP卫星精密轨道数据,使用新的反演方法,即能量衰减法反演了热层大气密度,并将反演结果与加速度计数据反演的大气密度以及经验模式结果对比.主要结论如下:(1)利用卫星精密轨道数据,可以使用能量衰减法反演热层大气密度,其反演结果与半长轴衰减法一致;(2)反演密度的时间间隔与反演精度相关.对于CHAMP卫星,采用20min左右的积分时间较为合适;(3)应用能量衰减法反演密度,可同时对加速度计数据进行标定;(4)使用精密轨道数据反演密度精度与卫星高度、地方时等相关.     

不同高度和不同地磁扰动期间热层大气密度模式值与探测值的显著差异

热层大气密度是空间大气环境的重要参数,经过多年的研究已开发了多种大气模式,但其误差普遍较大,尤其在磁暴期间偏差值甚至超过100%.本文利用中国星载大气密度探测器和CHAMP卫星加速度计在轨获得的连续探测数据,针对近10年(2003—2014)中多次强磁暴事件和多次中等强度扰动事件,即2003年11月、2004年7月和2005年8~9月多次强磁暴事件(Kp值均达到9),2006年4月、2012年4月的两次中等强度磁暴事件(Kp值分别达到7和6),分析和比对不同强度磁扰事件期间不同高度全球大气密度就位探测值与模式值(NRLMSISE00)之间的差别.在2005年8月24日强磁扰事件中,560 km高度中国卫星就位探测值上涨幅度约2~3倍,扰动区中的增变比高达5.7倍,375 km高度CHAMP卫星就位探测值上涨幅度约0.8倍,扰动区中增变比达4.0倍,期间大气密度模式值不仅没有出现明显的涨落,更没有出现强烈的区域扰动;在2003年11月和2004年7月的强磁扰事件中,CHAMP卫星就位探测值均有显著涨变和强烈扰动变化,而模式值无明显扰动变化;在中等强度磁扰事件中,高度560 km附近就位探测值在北、南半球高纬地区显著上涨,远高于模式值,高度350 km附近就位探测值在地球阴影区域显著上涨,上涨幅度也大于模式值.分析结果表明现有大气模式对地磁扰动(尤其是强磁暴事件)期间全球热层大气密度的响应并不明显,需要进一步改善.     

基于经验模式给定热层温度对热层大气密度反演影响的评估

利用加速度计数据反演热层大气密度算法一般需由经验模式给定热层大气温度,进而计算大气阻尼系数C_D.本文基于CHAMP卫星加速度计数据反演得到大气密度,以2008年为例,利用反演得到的热层大气密度循环迭代修正大气阻尼系数C_D,通过对比修正前后密度偏差,评估经验模式给定热层温度对热层大气密度反演造成的影响.结果表明,经验模式热层温度计算偏差对大气密度反演造成的影响小于5%,而且考虑大气成分的改变则进一步降低了这种影响.     

基于星载高精度GPS观测数据的大气密度反演

星载高精度GPS观测数据可提供卫星速度和位置信息,而卫星的运行轨迹又与所处位置的大气密度紧密相关,因此可通过求解大气阻力微分方程,由高精度GPS观测数据反演出卫星运行轨迹上的热层大气密度.本文从星载高精度GPS观测数据出发,给出大气密度的反演方法,以及平均平动参数nM、反弹道系数B两个重要参数的解算过程,并以天宫一号为例,给出反演结果与天宫一号观测数据的比对.结果表明,反演结果与观测值符合很好,两者的均方差在2012年1月1日、2月24日分别为8.6%和8.4%,说明利用星载GPS观测数据反演大气密度是有效、可行的,可成为今后获取高精度大气密度的一种方法.     

基于GRACE星载加速度计数据的热层密度反演

本文主要研究了利用GRACE星载加速度计数据反演热层密度.首先联合采用GRACE卫星2007—2009年星载加速度计数据和星载GPS数据进行动力学定轨并同时估计加速度计校正参数,依此对加速度计数据进行了校正.根据Sentman稀薄空气动力学方程计算卫星空气动力系数,对校正后的加速度计数据进行处理,反演得到了该时期沿轨热层大气密度.为分析反演密度的精度,将本文反演得到的GRACE-A卫星沿轨密度与Doornbos的解算结果,以及经验密度模型NRLMSISE00,HASDM模型进行比较分析.统计结果表明,本文反演结果比Doornbos系统性偏大约5%~8%,二者间的标准差(STD,standard deviation)在10%以内,具有较好的符合性.其差异主要是由于采用了不同的加速度标校以及空气动力系数计算策略.本文反演得到的热层密度较HASDM模型表现为正的系统性偏差且幅度在4%以内,而Doornbos的结果较HASDM模型约系统性偏小4%~7%,二者与HASDM模型的标准差均为30%左右.另外,本文反演密度与NRLMSISE00模型之间存在约30%~40%的系统性bias,其STD也在30%左右.     

基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟分析

针对对流层主要污染物(对流层臭氧、NO_2、SO_2及HCHO)的高分辨率、高频次监测需求,开展了基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟观测实验.在参考现有极轨卫星载荷的遥感监测能力和仪器参数基础上,根据静止卫星观测模型,利用正演辐射传输模式模拟观测光谱.根据最优估计反演理论,分析光谱仪的主要指标参数对各目标气体的反演敏感性和反演误差.基于各目标气体反演精度需求,提出光谱仪的观测波段、光谱分辨率和信噪比等关键指标参数的建议方案.为评估选定的光谱仪参数能否满足需求,利用大气化学输送模式模拟中国区域大气成分的三维分布,进行中国区域的模拟反演实验.结果表明,针对各目标气体,满足反演需求的实验数目均达到90%左右.臭氧总量和平流层臭氧的反演精度可达到2%,且各气体反演在太阳天顶角高于70°范围内仍可以获得有效数据.因此,我们所提出的静止卫星观测方案和仪器参数方案具有一定可行性,为优化将来中国静止轨道卫星光谱仪仪器指标提供了理论依据和模拟工具.     

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 Mini-Satellite 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.     

GPS测量误差对大气掩星反演精度影响分析

在无线电GPS大气掩星观测中,GPS和LEO卫星的位置误差、速度误差、卫星钟的漂移、载波相位观测误差等会给其反演的大气参量带来一定的误差.为定量分析上述GPS测量误差对大气掩星反演精度的影响,本文采用模拟分析的方法,利用CHAMP实测轨道数据和大气与电离层经验模式,采用三维射线追踪方法模拟得到大气附加相位观测数据;然后根据各种GPS测量误差的不同性质,在模拟掩星观测大气附加相位数据中加入GPS测量误差并进行反演,将其反演结果与未加入误差时的反演结果进行比较,分析各测量误差所带来的掩星反演误差的特点;利用一天的151个分布全球的掩星事件的误差结果进行统计分析.结果表明:(1)±10 m的GPS径向位置误差引起的温度反演误差的平均误差在30 km的高度为(-+)0.8K,标准偏差为0.05K;±0.4 m的LEO径向位置误差引起的温度反演误差的平均误差在30 km的高度为(-+)1.2K,标准偏差为0.07K.(2)仅考虑卫星速度误差对掩星几何关系的影响,则±30 m/s的GPS速度误差引起的温度反演误差的平均误差最大为±0.02K,标准偏差为0.3K;±10 m/s的LEO速度误差引起的温度反演误差的平均误差最大为±0.4K,标准偏差为0.06K.(3)当卫星钟漂为1×10-9时,反演温度误差的平均误差在30 km的高度为263K,标准偏差为16K,当卫星钟漂为1×10-14时,反演温度误差的平均误差在30km的高度为0.019K,标准偏差为0.004K.(4)当L1和L2载波相位观测误差分别为1 mm和2 mm时,引起的温度反演的平均误差在30 km的高度为0.01K,标准偏差为0.4K.(5)利用较接近真实观测的三维大气和电离层背景下的模拟附加相位数据,同时加入国际最新指标的各种GPS测量误差进行反演,误差分析结果为:在30 km以下,折射率和密度的相对误差小于0.3%(1σ),压强的相对误差小于0.5%(1σ),温度误差小于1K(1σ).     

不同卫星载荷探测NDVI性能差异分析及变换参数确定

提出了一种多卫星载荷探测归一化差异植被指数(NDVI)的差异定量分析与改正新方法.该方法集成PROSPECT模型、SAIL模型和MODTRAN大气辐射传输模型来模拟不同卫星载荷的遥感信号,使用遥感模拟信号而非实际卫星图像进行NDVI差异分析和改正.信号模拟中考虑了传感器光谱响应和大气条件的影响,对国内外的30种卫星载荷探测NDVI的差异进行了定量分析.最后,针对不同卫星载荷探测NDVI之间存在的差异,利用模拟数据建立了地面能见度分别为10,23,50km大气条件时30种国内外主要卫星载荷NDVI值间的相互转换关系.本文方法对多载荷NDVI应用分析具有一定的理论及实用意义.     

模拟分析低低跟踪模式重力卫星反演地球重力场的精度

本文利用卫星重力反演与模拟软件ANGELS系统(ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites)对低低跟踪模式的重力卫星的关键载荷精度指标进行了深入分析.模拟结果表明:(1)对短弧长积分法而言,在低低跟踪模式的关键载荷精度指标中,重力场反演精度对星间距离变率精度最为敏感;(2)通过对目前在轨运行GRACE的载荷指标进行分析,发现轨道数据的误差主要影响重力场的低阶部分(约小于25阶),较高阶次部分(约大于26阶)主要受星间距离变率的误差限制;(3)如果下一代低低跟踪模式的重力卫星的目标之一是把重力异常反演精度较GRACE提高约10倍,则在保持轨道高度和GRACE相同的前提下,轨道、星间距离变率和星载加速度计等关键载荷指标需要达到的最低精度分别约为2cm、10nm·s-1和3.0×10-10 m·s-2;(4)轨道精度和混频误差将是影响下一代低低跟踪模式重力卫星重力场恢复能力进一步提高的主要制约因素,距离变率精度和加速度计精度存在盈余.     

APOD mission status and preliminary results

On September 20 th, 2015, twenty satellites were successfully deployed into a near-polar circular orbit at 520 km altitude by the Chinese CZ-6 test rocket, which was launched from the Tai Yuan Satellite Launch Center. Among these satellites, a set of 4 Cube Sats conform the atmospheric density detection and precise orbit determination(APOD) mission, which is projected for atmospheric density estimation from in-situ detection and precise orbit products. The APOD satellites are manufactured by China Spacesat Co. Ltd. and the payload instruments include an atmospheric density detector(ADD), a dual-frequency dualmode global navigation satellite system(GNSS) receiver(GPS and Beidou), a satellite laser ranging(SLR) reflector, and an S/Xband very long baseline interferometry(VLBI) beacon. In this paper, we compare the GNSS precise orbit products with colocated SLR observations, and the 3 D orbit accuracy shows better than 10 cm RMS. These results reveal the great potential of the onboard micro-electro-mechanical system(MEMS) GNSS receiver. After calibrating ADD density estimates with precise orbit products, the accuracy of our density products can reach about 10% with respect to the background density. Density estimates from APOD are of a great importance for scientific studies on upper atmosphere variations and useful for model data assimilation.     

The JB2006 empirical thermospheric density model

A new empirical atmospheric density model is developed using the CIRA72 (Jacchia 71) model as the basis for the diffusion equations. New solar indices based on orbit-based sensor data are used for the solar irradiances in the extreme and far ultraviolet wavelengths. New exospheric temperature and semiannual density equations are employed to represent the major thermospheric density variations. Temperature correction equations are also developed for diurnal and latitudinal effects, and finally density correction factors are used for model corrections required at high altitude (1500–4000 km). The new model, Jacchia–Bowman 2006, is validated through comparisons of accurate daily density drag data previously computed for numerous satellites. For 400 km altitude the standard deviation of 16% for the standard Jacchia model is reduced to 10% for the new JB2006 model for periods of low geomagnetic storm activity.     

NO冷却率在连续磁暴中对热层密度的影响

基于CHAMP卫星加速度计数据,对2002年4月和2004年11月两个连续磁暴事件期间400 km高度热层大气密度时空变化特征进行了分析,结果表明,地磁扰动相近的连续磁暴发生时,热层密度对第一个磁暴的响应幅度明显大于后续磁暴;磁暴间歇期有时会出现密度低值;磁暴恢复相,热层密度先于ap指数快速恢复至暴前水平,甚至更低;热层大气经验模式NRLMSISE00的预测结果中没有包含这些现象.利用TIMED卫星SABER辐射计数据进一步分析同时段100~155 km高度NO冷却率的变化特点,NO冷却率在暴时的增大滞后热层密度2~6 h;磁暴恢复相,NO冷却率保持在较高水平,弛豫时间远大于热层密度.暴时增强的NO冷却率及其缓慢的恢复是导致热层密度响应幅度变小的原因,间歇期是否出现热层密度异常低值也与NO冷却率的增幅有关.     

Annual and seasonal variations in the low-latitude topside ionosphere

Annual and seasonal variations in the low-latitude topside ionosphere are investigated using observations made by the Hinotori satellite and the Sheffield University Plasmasphere Ionosphere Model (SUPIM). The observed electron densities at 600 km altitude show a strong annual anomaly at all longitudes. The average electron densities of conjugate latitudes within the latitude range ±25° are higher at the December solstice than at the June solstice by about 100% during daytime and 30% during night-time. Model calculations show that the annual variations in the neutral gas densities play important roles. The model values obtained from calculations with inputs for the neutral densities obtained from MSIS86 reproduce the general behaviour of the observed annual anomaly. However, the differences in the modelled electron densities at the two solstices are only about 30% of that seen in the observed values. The model calculations suggest that while the differences between the solstice values of neutral wind, resulting from the coupling of the neutral gas and plasma, may also make a significant contribution to the daytime annual anomaly, the E × B drift velocity may slightly weaken the annual anomaly during daytime and strengthen the anomaly during the post-sunset period. It is suggested that energy sources, other than those arising from the 6% difference in the solar EUV fluxes at the two solstices due to the change in the Sun-Earth distance, may contribute to the annual anomaly. Observations show strong seasonal variations at the solstices, with the electron density at 600 km altitude being higher in the summer hemisphere than in the winter hemisphere, contrary to the behaviour in NmF2. Model calculations confirm that the seasonal behaviour results from effects caused by transequatorial component of the neutral wind in the direction summer hemisphere to winter hemisphere.     

基于Swarm卫星GPS/TEC观测的顶部电离层三维电子密度分布的层析法研究

利用两颗伴飞的Swarm A/C卫星搭载的双频GPS接收机获取的TEC数据,在两个卫星轨道平面同时对顶部电离层电子密度进行层析成像,实现对顶部电离层电子密度的三维观测.为了能够重现扰动期间电离层电子密度的空间变化特征,在正则化求解过程中,我们引入了水平矩阵H和垂直矩阵V刻画电子密度的空间变化特征,引入整体约束矩阵C以调节不同空间对电子密度相对变化的权重.数值验证结果表明我们的算法对常见的观测误差具有较强的包容性,反演计算出的电子密度平均偏差优于10%.在不同地磁活动条件下,与第三方观测数据的对比,验证了本文反演算法的可靠性.实测数据反演结果表明我们的算法不仅能够较好地重现顶部电离层子午向百公里级别的不规则结构,还能有效分辨纬向相隔~150 km的两个卫星轨道平面的电子密度差异.     

HWM07模式风场在高度60～100km的精度及建模初步研究

HWM07模式是一个应用广泛的国际标准参考大气风场模式,其在航天飞行器的设计阶段具有重要作用.因此,研究该模式风场精度具有重要意义,本文以廊坊中频雷达的风场资料(2014—2016年)为基准,利用偏差、绝对差、相关系数、相对偏差和Lomb-Scargle周期图方法,研究HWM07模式风场在高度60～100km的精度,最后,对本文建立的60～100km风场预报模型(UV_(DerM)模型)精度进行分析.结果表明,在高度60～100km范围内,(1)HWM07模式的纬向风偏差、绝对差、相关系数、相对偏差的平均值分别为14.0039 m·s-1、34.4750 m·s-1、0.1832、-75.4822%,经向风偏差、绝对差、相关系数、相对偏差的平均值分别为-2.0019m·s-1、25.3689m·s-1、0.1442、-88.9980%;经向风、纬向风的统计特征均与高度、季节有密切关系;(2)Lomb-Scargle周期图结果表明,中频雷达、HWM07模式风场在同一高度层显著(通过90%显著性检验)含有的波周期及功率谱存在较明显差异,不同高度、不同季节显著含有的波周期和功率谱也存在明显差异;(3)在高度86～92km,准全日潮汐波、准半日潮汐波分别在冬季、夏季的HWM07模式风场变化特征中为主要作用,而对中频雷达风场变化特征起主要作用的大气波动特征与高度、季节有关;(4)相对于HWM07模式风场,由UVDerM模型得到的纬向风更接近实况资料,但经向风无改进效果.     

基于COSMIC掩星数据探测汶川 MS8.0地震震前电离层异常

获取COSMIC掩星2级数据, 基于球谐函数使用最小二乘拟合法计算模型值, 为2008年5月12日汶川M_S8.0地震前电离层电子密度变化提供背景依据. 同时应用主成分分析法研究最大电子密度, 得到各主成分所占能量百分比随时间的变化. 研究结果发现, 震前在震中邻近区域出现电离层扰动增强现象, 且随高度不同存在一定差异, 主要集中在F₂层300—450 km. 主成分分析结果显示, 4月15日—29日19:00—24:00(地方时)第三主成分能量百分比显著增加. 上述结果表明, 震前电离层存在异常扰动现象. 这一研究结果有助于加强地震电离层耦合机理方面的研究.