[发明专利]一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法

说明书

本发明涉及一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法，属于遥感技术领域。首先给出了平流层大气密度反演模型，此模型为本发明实施的基础；其次结合星光折射的几何关系以及航天器轨道的确定，给出了反演大气密度点的三维坐标以及掩星开始时航天器位置确定的方法。利用本发明可以获得全球三维、准实时的大气密度模型。弥补了直接测量以及地基遥感的空间覆盖率低的缺陷，并且相对无线电掩星方法成本更低，结构更加简单相对易于实现。

技术领域

本发明涉及一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法，属于遥感技术领域。

背景技术

大气模型是对大气中的各种参数的时空分布的描述，大气参数的确定对于气象、天文以及航天等领域都有着重要的影响，所以很早就已经得到了广泛的研究。目前的大气探测主要包括直接量测、地基遥感以及天基遥感三类方法。

直接测量是指利用一系列仪器对载体所在位置大气参数的测量，例如温度计、测压计以及风速表等。在对空中气象进行测量时一般需要搭载探空气球、火箭以及卫星等航空航天飞行器。其中探空气球可以用来获取低层大气的垂直数据，其遇到的主要问题就是高度范围受限^[1]和水平干扰^[2]。卫星大气阻力反演则可以用于测量高层大气密度数据^[3]，但是卫星阻力反演的时空分辨率以及精度均存在一定的局限。

与直接量测相比，地基遥感在高度探测范围上有了质的突破。一般而言，地基遥感的可靠性、成本都很不错，但是这类方式同样会受到高山、沙漠、海洋等特殊地域的限制。根据中频、甚高频、流星、激光等不同雷达所选择的频率范围，其空间分辨率从1公里至数公里不等，时间分辨率从10分钟到60分钟不等。

天基遥感，即气象卫星出现的直接原因是气象的数值预报工作对于增加气象资料时间和空间分布密度的需求。直接观测以及地基遥感虽然可以获得比较精确的资料，但是其覆盖范围相对于全球而言仍只占很小一部分。美国发射的NOAA(National Oceanic andAtmospheric Administration)卫星通过不同垫面在可见光和红外波段下的特性分析温度、臭氧含量等成分，其一个瞬时观测区可以占据地球表面面积的2％。一个极轨卫星可以在半天时间内得到全球主要地区的气象资料。赤道上的四颗静止卫星，理论上可以覆盖全部赤道地区^[4]。

无线电掩星是一种新颖的大气观测方式，不同于传统的气象卫星，无线电掩星不是向星下点接受信号，而是接受其它卫星的电磁信号，这一特点赋予了它更灵活的探测范围以及更多的测量信息。最早的无线电反演思想源于60年代，G.Fjeldbo等利用该方法分析了火星低层大气的折射率变化情况^[5]。直至90年代以后，无线电掩星才开始被用于地球的大气探测^[6]。目前，无线电掩星已经发展出几何光学反演、菲涅尔衍射反演等多种反演手段，几何光学反演对于星光折射反演具备明显的借鉴价值^[7]。无线电掩星的问题在于信号源的成本，如果要实现大范围的大气观测，那么卫星的轨道设计、卫星间的协调、不同大气成分对电磁波信号的影响都是需要解决的困难。

参考文献：

[1]刘志欣,申延美,王蕊.提高探空气球探测高度的方法[J].黑龙江气象,2004,5(2):38-39.

[2]刘红亚,薛纪善,沈桐立,等.探空气球漂移及其对数值预报影响的研究[J].应用气象学报,2005,16(04):105-113.

[3]李若曦.利用低轨卫星数据反演热层大气密度[D]:中国科学技术大学,2017.

[4]G.Davis.History of the NOAA satellite program[J].Journal ofApplied Remote Sensing,2007,1(1):341-353.