大气阻力引起卫星轨道衰减的数值模拟

本文以德国低轨道卫星CHAMP为例,联合考虑地球扁率和大气阻力摄动的影响,对相应摄动方程进行数值积分,计算轨道根数变化,并进而计算得到卫星空间位置,由此模拟考察大气阻力引起的轨道高度衰减.模拟中使用综合考虑了太阳辐射和磁暴等多种因素影响的最新国际大气标准JB2008模式来计算热层大气密度. 选取CHAMP卫星轨道高度自然衰减（无点火提升卫星高度操作）的2005全年进行模拟;为了考察不同年份阻力系数的可能变化,对2002年1—3月处在较大高度的轨道也进行了模拟.考虑到CHAMP卫星的特殊几何构形及飞行高度的热层温度条件,取阻力系数大于2.8,并在一定范围内变化,以求得模拟与实际轨道衰减符合较好.结果表明,对于2005年,阻力系数为2.91时模拟得到的轨道高度的衰减与实际轨道衰减符合得最好,模拟与实际轨道半长轴全年的标准偏差为81m;在卫星高度稍高的2002年,模拟的最佳阻力系数为3.0;模拟所得最佳阻力系数值比传统使用的值2.2大30%以上.由于在模拟中忽略了高阶保守力分量,所得近/远地点高度没有出现实际轨道所显示的周期性起伏.     

北京边界层大气污染物的垂直廓线监测与分析

基于扫描差分光学吸收光谱（DOAS）系统,于2007年8月27日~9月4日期间对北京市朝阳区大气污染物SO2,HCHO,O3和NO2的垂直分布进行了连续监测,并对污染物垂直廓线进行了分析,详细探讨了SO2垂直分布特征以及夜间NO对O3的滴定作用.结果表明,SO2浓度通常没有明显垂直分层分布特征,但在清晨风速较低时呈现负梯度变化.研究发现夜间O3、NO和NO2之间存在稳态作用,表明城市区域O3的滴定主要来自于地面NO的直接排放,显示出NO的滴定作用对夜间O3、NO和NO2的垂直变化起到重要作用.     

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.     

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.     

基于卫星轨道扰动理论的重力反演算法

为了更充分利用低轨重力卫星的高精度观测数据,根据卫星轨道的扰动理论,导出了应用卫星轨道与星间距离观测值联合反演地球重力场模型的算法.该算法的实质是将牛顿运动方程在卫星轨道处进行展开,转化为第二类Volterra积分方程,并采用基于移动窗口的9次多项式内插公式进行数值求解.给出了该算法的观测方程,用QR分解法消去局部参数矩阵,最后采用预条件共轭梯度法求解法方程.利用GRACE卫星2008-01-01~2008-08-01时间段内的轨道及星间距离观测数据,解算了120阶次的地球重力场模型SWJTU-GRACE01S,该模型在120阶处的阶方差为1.58×10-8,大地水准面差距累计误差为22.29 cm,与美国GPS水准网比较的标准差为0.793 m,结果表明:SWJTU-GRACE01S模型精度介于EIGEN-GRACE01S与EIGEN-GRACE02S模型之间,从而验证了该算法的有效性.     

基于多轨道卫星观测数据分析尼泊尔地震长波辐射特征

综合已经在红外异常提取中应用的涡度和RST（Robust Satellite Technique）算法优点,提出了红外异常指数算法.并基于长时间尺度的中国静止卫星FY-2D和美国极轨卫星NOAA长波辐射数据,应用RST和异常指数算法,分别对2015年4月25日尼泊尔M_S8.1和5月12日M_S7.5地震前后卫星长波辐射变化特征进行了分析,开展了多轨道、多时空分辨率长波辐射同步地震热红外特征研究.结果表明,运用RST算法,两次地震前后,未能在震中周围发现明显的长波辐射异常.运用异常指数算法：（1）对于NOAA卫星,4月15日在M_S8.1地震震中以西出现热红外异常,到4月24日震中以西约100 km处出现异常最大值,随后逐渐消失.5月10日在M_S7.5地震震中以东约200 km发现异常;（2）在NOAA卫星长波辐射异常发现最大值当日,采用FY-2D卫星每3 h的数据分析可发现红外异常的动态演化过程,弥补NOAA卫星分辨率不足.以上结果为利用多轨道卫星监测地震热辐射变化提供了依据.

     

基于Collocation积分法的LEO卫星轨道预报研究

低轨卫星轨道的高精度预报是一个非常重要而又棘手的问题.本文提出利用高精度离散的低轨卫星位置序列,采用Collocation积分法,通过动力学拟合,实现低轨卫星高精度短期预报的方法.该方法可以直接计算积分区间内任意时刻卫星的位置、速度及加速度.通过HY-2A及JASON-2卫星的精密星历数据,验证了该方法的效果.结果表明:HY-2A及JASON-2卫星的4 h弧长预报轨道3D RMS小于3 dm;预报12 h、24 h及48 h弧长轨道,其3D RMS分别小于2.3 m、4.3 m及8.6 m.     

高精度潮汐三维感应电磁场模拟及地磁卫星轨道需求分析

地磁台站和地磁卫星能观测到饱含钠、氯离子运动海水切割地球主磁场产生的感应磁场数据.计算潮汐感应电磁场的三维高精度空间分布是从潮汐电磁数据中获得海洋底部电导率结构的关键,更是设计与优化地磁台站、电磁卫星轨道的重要依据.现有的潮汐(或运动海水)感应电磁场正演计算方法普遍存在难以精确模拟真实海岸线、不均匀陆地与海水表层、复杂地球深部结构影响的问题,从而降低潮汐感应电磁数据的解释水平.为解决此问题,本文开发了一种基于四面体单元的潮汐感应电磁场矢量有限元计算方法,具备精确模拟真实海岸线、不均匀陆地与海水表层、复杂地球深部结构影响的能力.首先,推导了运动海水感应电磁场满足的边值问题,结合四面体单元,利用矢量有限元计算方法求解了运动海水感应电磁场.然后,利用最新的海洋深度与海底沉积层模型,建立了包含真实海岸线、不均匀陆地与海水电导率分布的地球三维电导率模型,以M₂潮汐激励源为例计算潮汐感应电磁场,通过与球谐有限元和积分方程结果的对比,来验证本文方法的正确性.最后,利用计算的高精度M₂、N₂和O₁潮汐感应电磁场信号...     

GOCE卫星监测的中国区域重力异常

介绍了利用最新一代重力卫星GOCE(Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)重力场模型数据计算重力异常的原理和方法,采用最新发布的GOCE重力场模型数据(2009年10月-2010年7月)计算了中国区域(70°～130°E,15°～55°N)的重力异常,为了进一步分析重力异常与区域地质构造及地震活动性的对应关系,将计算结果与中国区域地形、地震活动区域等资料进行了对比分析,结果表明利用GOCE重力场模型数据计算的重力异常能够较好的反映区域地质构造分布特征,而且强震震中通常位于重力异常变化剧烈的高梯度带上.     

中国电磁监测试验卫星工程研制进展

中国电磁监测试验卫星工程项目于2013年正式批准立项,卫星预计于2017年8月发射入轨,设计在轨运行5年,这是我国地震立体观测体系的第一个专用天基平台. 本文简要介绍了电磁卫星工程设计和卫星工程六大系统的功能与任务,并对卫星系统和应用系统的研制情况予以阐述. 目前,已基本完成卫星平台和有效载荷设计初样阶段的研制,将于2016年6月转入正样研制阶段. 应用系统基础平台的建设工作按计划进行,将在卫星发射前半年开始试运行,以确保电磁监测试验卫星数据的有效应用.      

低轨卫星轨道误差对中性层延迟量影响的模拟研究

GPS掩星监测大气方法中需要载有GPS接收机的卫星的精密定轨信息，而该卫星的轨道 精度对GPS掩星监测大气的效果进行分析是十分必要的. 基于地球大气模式CIRA1986，本文采用三维射线跟踪方法模拟了有代表性的5次完整的GPS掩星事件，得到了卫星的轨道精度 对GPS掩星测量中关键参数的影响的初步结果. 结果表明，该卫星的常规轨道误差对掩星测量的影响较小，完全可以采用差分定位方法来获取掩星测量中所需要的卫星定轨信息.     

基于B-spline和正则化算法的低轨卫星轨道平滑

本文提出了一个利用纯几何轨道和力模型的新算法来计算精确且相对平滑的卫星轨道. 该法将一个纯几何轨道表达为一个B-spline的线性组合,线性组合的系数可以由最小二乘法估计获得. 力模型通过计算加速度来附加约束. 为了平衡几何轨道的点位误差和加速度的不精确,一个基于“广义交互确认（GCV,generalized cross-validation）”的正则化算法运用其中. 由于B-spline的本地控制性,该方法的计算效率相当高. 本文的数值分析表明了该法的有效性. 模拟计算的结论是：带加速度约束较不带加速度约束的平滑效果好. 力模型越精确,平滑的轨道就越精确. 三个月的CHAMP实测轨道数据处理结果表明,平滑后的轨道改进了重力场模型.     

基于GOSAT卫星观测的大气CO_2浓度与模型模拟的比较

卫星从空间对大气CO2的实时观测可以客观地获取全球和区域大气CO2浓度的变化信息;另一方面,利用全球大气输送模型的数值模式模拟得到时空连续的全球大气CO2浓度是目前科学家们定性和定量地研究大气CO2全球输送过程及时空变化规律的主要途径之一.卫星观测和模型模拟以两种不同的方式为我们提供大气CO2浓度信息,但对于这两种方式所揭示的全球以及区域大气CO2浓度特征的差异还没有一个综合的对比分析与评价.本文收集2009年6月到2010年5月的GOSAT卫星观测数据,利用GEOS-Chem模型模拟了同时期全球大气CO2浓度,对比分析两种方式揭示的大气CO2时空变化特征差异,通过比较中国陆地与同纬度美国陆地区域的差异,评价分析卫星观测和模型模拟各自的合理性和不确定性.结果指出卫星GOSAT观测反演的大气CO2浓度总体低于模型模拟2 ppm左右,与地面观测验证的结果相近.但是两者的差异在不同的区域上明显不同,在中国陆地区域显示了从0.6~5.6 ppm很大的差值变化,而在全球陆地区域为1.6~3.7 ppm、美国陆地区域为1.4~2.7 ppm.卫星GOSAT观测与模型模拟在美国陆地显示了0.81的拟合优度,高于全球陆地区域的0.67和中国区域的0.68.综合分析结果指出在中国区域卫星观测与模型模拟的不一致性高于美国和全球,其原因与卫星观测反演算法中输入参数的不整合所引起的CO2浓度反演误差以及模型模拟中驱动参数数据的准确性有关.     

针对静止气象卫星通讯链路的电离层闪烁监测

我国泛珠三角地区,处于磁赤道异常区的峰值区域,是全球范围内电离层闪烁衰落出现最频繁、影响最严重的区域之一。简单介绍了电离层闪烁基础理论和广州气象卫星地面站的GPS电离层闪烁监测系统,并对其监测数据进行了初步分析,为将来开展针对静止气象卫星通讯链路的电离层闪烁监测研究打基础。     

中国地震电磁监测试验卫星地面接收站选择研究

本文总结并分析了国内外典型卫星的相关地面站选择和使用情况.这些卫星包括,COPASSⅡ卫星、QUAKESAT卫星、DEMETER卫星、气象卫星、海洋一号卫星、嫦娥一号卫星、双星计划、中巴资源卫星以及正在建设的"三站网".结合中国当前卫星资源共享的政策、中国地震行业的需求以及中国地震电磁监测试验卫星(CSES)的特点,分析了中国地震电磁监测试验卫星地面站选择的依据.在此基础上,总结出CSES地面站布局需考虑的几个因素,并提出了五种可行的布局方案和地面站的选择思路.     

中国电磁监测试验卫星地面应用系统关键技术研究

中国电磁监测试验卫星(CSES)是中国计划发射的第一颗用于电离层特性及电离层地震电磁效应研究的空间探测卫星,已被国防科工局列为"十二五"首批发射的民用卫星。卫星地面应用系统是整个卫星工程发展的必要环节,为保障卫星有效在轨运行,并使卫星接收到的     

行星内部地震波及其对卫星轨道的影响

本文指出地震学在天文和行星学科里的重要作用.我们主要介绍最近提出的“潮汐—地震波共振”(tidal-seismic resonance)效应,并且讨论它对卫星轨道演化的作用.当在同步轨道以下周期运动的卫星引起的引潮力的频率和行星内部自由震荡频率吻合时,就会发生潮汐—地震波共振.此时,行星内部的地震波将被激发并引起行星表面的显著位移.升高和下降的地面会对卫星产生一个力矩从而使得卫星轨道下降.因为潮汐共振引起的动态地面位移可以比单纯引潮力引起的位移大两个数量级,所以潮汐共振会显著加速卫星下降速率.我们用我们开发的三维地震波场模拟程序AstroSeis数值计算了潮汐—地震波共振对轨道的影响,进而推测这一共振效应可能对行星早期吸积速度有显著影响.另外,因为行星内部的Q值和S波的波速对潮汐共振影响很大,未来研究微重力环境下的小行星或陨石内部地震波的速度和Q值对研究行星演化和太阳系的形成至关重要.     

太湖蓝藻水华的MODIS卫星监测

本文基于MODIS卫星影像探讨太湖蓝藻水华的识别、监测问题.通过比较MODIS影像上不同蓝藻浓度的波段反射率值的差别,得到对蓝藻信息响应的敏感波段,利用特定波段的合成,可基本识别蓝藻的分布信息,并基于蓝藻的光谱响应特征,采用比值模型方法、进一步确定蓝藻分布的相对浓度信息.最后通过不同时相蓝藻浓度的叠加分析,得出了蓝藻水华的动态变化信息.     

太湖藻类的卫星遥感监测

利用卫星遥感监测和计算机图像处理技术,调查了太湖梅染湖区灌空间分布和影响范围,并根据提取的遥感信息对藻华现象的气象成因作为实步分析。