基于低轨卫星加速度计的大气密度反演研究

论文摘要

热层大气密度是航天器发射及轨道操控的重要参数,加速度计则是研究热层大气密度的重要工具。国外现有加速度计反演大气密度的相关研究均是基于早期发射的GRACE、CHAMP卫星,基于其他卫星的相关研究非常稀少。国内尚不具备生产高精度星载加速度计的技术,对不同卫星加速度计反演大气密度流程之间的区别和极端情况下大气密度分布规律的研究仍处在起步阶段。针对以上问题,本文以Swarm-C卫星为研究对象,探究其加速度计反演大气密度的具体流程,并利用其反演结果分析磁暴时期大气密度的变化规律,本文研究内容包括:（1）利用Swarm-C卫星的加速度计数据反演大气密度。本文参考GRACE-A卫星加速度计的校正方法对Swarm-C加速度计数据进行校正,并针对Swarm-C材料的温敏特性,对其加速度计数据引入了线性温度校正。在光照辐射压建模过程中本文对卫星表面的形状进行了抽象,使用简化的锥形阴影模型代替普通的柱形阴影模型来计算阴影系数,并对比了两种阴影模型建模结果的异同。最后基于Sentman模型计算了Swarm-C卫星的大气阻尼系数,结合光照辐射压建模结果反演了大气密度。（2）对Swarm-C加速度计反演结果进行验证并用该结果评估经验大气模型。GRACE-A加速度计反演结果验证了Swarm-C加速度计反演结果的正确性,同样两行轨道根数反演结果也验证了Swarm-C加速度计反演结果的准确性。相较于半长轴衰减法的反演结果,Swarm-C加速度计反演得到的大气密度动态性和实时性更佳。最后利用Swarm-C加速度计反演结果对JB2008和NRLMSISE-00经验大气模型进行性能评估后发现,在Swarm-C卫星所处的高度JB2008模型的准确性和实时性均优于NRLMSISE-00模型。（3）基于Swarm-C加速度计反演结果探究磁暴时大气密度分布规律。本文选择了2015年以来三场影响较大的磁暴作为研究对象,探讨磁暴期间地磁指数与大气密度之间的关系。将Swarm-C反演所得大气密度进行白昼区和黑夜区分离,使用经验正交函数分析法对白昼区和黑夜区的大气密度在磁暴时期的时间分布和空间分布分别进行了研究。结果表明磁暴对黑夜区大气密度的影响比对白昼区的影响更大。磁暴对大气密度的影响主要体现在时间分布上,大气密度的空间分布则受到磁暴的影响较小,短期内较为稳定。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 大气密度反演的研究背景和意义
•   1.2 热层大气密度探测的国内外进展
•   1.3 本文主要研究内容及章节安排
• 第二章 热层大气密度相关研究方法
•   2.1 基于卫星加速度计的大气密度反演
•     2.1.1 基于卫星加速度计的大气密度反演方法概述
•     2.1.2 GRACE-A卫星加速度计校正及表面形状抽象
•     2.1.3 卫星表面光照辐射压建模
•     2.1.4 基于加速度计的大气密度反演
•   2.2 基于轨道数据的大气密度反演方法及经验大气模型
•     2.2.1 两行轨道根数法
•     2.2.2 半长轴衰减法
•     2.2.3 NRLMSISE-00 经验大气模型
•     2.2.4 JB2008 经验大气模型
•   2.3 大气密度时空分布研究方法概述
•     2.3.1 影响大气密度的因素
•     2.3.2 经验正交分析法
•   2.4 本章小结
• 第三章 基于Swarm-C卫星加速度计的大气密度反演
•   3.1 Swarm-C加速度计数据的预处理及校正
•     3.1.1 加速度计数据的预处理
•     3.1.2 改进的Swarm-C加速度计数据校正方法
•     3.1.3 Swarm-C加速度计数据校正结果精度评价
•   3.2 Swarm-C卫星表面形状抽象及阴影区建模
•     3.2.1 卫星表面形状抽象
•     3.2.2 改进的锥形阴影建模方法
•     3.2.3 Swarm-C锥形阴影与柱形阴影建模对比
•   3.3 基于Swarm-C加速度计的大气密度反演
•     3.3.1 卫星大气阻尼系数计算
•     3.3.2 加速度计大气密度反演结果展示
•   3.4 本章小结
• 第四章 Swarm-C加速度计反演结果验证及经验大气模型评估
•   4.1 GRACE-A加速度计反演结果对Swarm-C的验证
•   4.2 轨道数据反演结果对Swarm-C加速度计结果的验证
•     4.2.1 两行轨道根数结果对加速度计结果的验证
•     4.2.2 半长轴衰减法结果对加速度计结果的验证
•   4.3 Swarm-C加速度计反演结果评估经验大气模型
•     4.3.1 Swarm-C反演结果评估NRLMSISE-00 大气模型
•     4.3.2 Swarm-C反演结果评估JB2008 大气模型
•     4.3.3 两种大气模型的精度和实时性评估
•   4.4 本章小结
• 第五章 基于Swarm-C反演结果探究磁暴时大气密度分布
•   5.1 磁暴与地磁指数相关性分析
•     5.1.1 磁暴事件的选取
•     5.1.2 ap及 Dst指数和大气密度的相关性
•   5.2 磁暴时期大气密度EOF时空分解
•     5.2.1 不同阶数的EOF密度场对比
•     5.2.2 EOF数据结果检验
•   5.3 磁暴时期大气密度时空分布规律分析
•     5.3.1 磁暴时大气密度时间分布分析
•     5.3.2 磁暴时大气密度空间分布分析
•     5.3.3 磁暴时大气密度分布规律总结
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 葛丽君

导师: 郑文锋

关键词: 低轨卫星,加速度计,大气密度,时空分布

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,航空航天科学与工程

单位: 电子科技大学

分类号: V447;P412.27

总页数: 76

文件大小: 7061K

下载量: 59