[发明专利]一种基于SWARM-C卫星提取大气密度的方法

说明书

本发明公开了一种基于SWARM‑C卫星提取大气密度的方法，先获取SWARM‑C卫星的加速度计数据和GPS轨道数据，再对其进行重采样和坐标系转换；然后去除加速度计数据中存在的尖峰信号和阶跃信号；数据检查完之后开始对加速度计数据进行校正，用广义最小二乘法估计校正公式中的偏差系数、比例系数和温度系数，获得校正后的加速度计数据；接着对卫星在其运行轨道上受到的光照辐射压进行建模，计算出由于光照辐射压引起的加速度，将校正后的加速度计数据减去光照辐射压引起的加速度，得到大气拖拽加速度；最后计算卫星在其轨道运行的阻尼系数和有效面积的乘积，根据大气拖拽加速度和阻尼系数与有效面积的乘积计算卫星轨道附近的大气密度。

技术领域

本发明属于航空航天与空间气候技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于SWARM-C卫星提取大气密度的方法。

背景技术

研究大气密度具有重要的意义，它可以应用于不同种类型航天器的精密定轨或宇宙中的其他飞行物体轨迹建模。航天器的精密定轨需要获取其在太空受到的保守力和非保守力，非保守力主要是由大气拖拽力和光照辐射压力组成，而大气拖拽力的大小和大气密度有关。利用大气密度对卫星进行精密定轨及轨道预测可以帮助低轨航天器延长其寿命，也帮助他们重返轨道，分析潜在风险并且在必要时候对卫星发出机动信号。此外，在太空中有大量的在轨飞行物体被归类为空间碎片，因为空间碎片有些具有非常大的面积质量比，若是撞击地球则会造成灾难性的后果，因此需要被仔细跟踪必要时候控制其轨道。譬如在2009年2月两艘完整的航天器发生意外超高速碰撞，该碰撞发生在距地球表面790公里的高度，碰撞后产生的碎片逐渐分离到宇宙中不同的轨道平面，在接下来的几十年中威胁到其他卫星。自从1957年以来，人类已经创造了超过25000个废弃空间碎片，其中许多已经腐蚀，其飞行轨道下降到低层大气中。目前，美国太空监视网络已经追踪了超过20000个大于10厘米的人造物体，那些废弃碎片和卫星碰撞后会使卫星失效，因此对其跟踪和轨迹建模具有非常重要的意义。

大气密度受地磁活动的影响而变化，难以获取其精确值，目前针对热层大气密度的提取方法主要有激光雷达探测法，卫星半长轴衰减法，经典大气模型建模等。大气模型的精度受到地磁活动的影响很大，在地磁活动期间，其精度会下降20％左右。李永平等人在专利《空间用四极滤质器及同时获得大气密度和大气成分的方法》中发明了一种空间用四极滤质器来探测大气密度和大气成分，该方法对仪器制造技术有较高要求，受到硬件技术限制。张鹏宇等人在专利《一种伴飞型大气密度测量装置》中发明了一种包括三向过载传感器、中央处理单元和GPS雷达一体机在内的伴飞行大气密度测量装置。该装置本质还是利用激光雷达，并且其装置的飞行高度有限，无法探测到高层大气特别是航天器所在位置的大气密度。周率等人在《一种热层大气密度修正方法》中通过采用核回归方法计算热层大气密度模型的误差，最后对热层大气密度模型进行修正。然而其修正后的大气模型仍然无法保证地磁活动活跃时期所获得的大气密度结果的精确性。此外还有通过卫星的半长轴衰减法来提取大气密度，该方法通过GPS可以获取到卫星的轨道长半轴数据，然后通过长半轴变化率计算大气密度。然而该方法的动态性不足，其获得的大气密度是卫星某时间段内的平均大气密度。

Swarm系列卫星于2013年11月22日发射，并携带加速度计和GPS接收机作为其科学有效载荷的一部分，通过其携带的加速度计和GPS接收机可以获取大气密度。星载加速度计可以准确而实时地测量卫星所受到的非保守力加速度，卫星受到的非保守力加速度主要由大气拖拽力加速度和光照辐射压加速度组成。因此通过对卫星表面的光照辐射压进行建模获得光照辐射压加速度之后就可以导出大气拖拽力加速度，从而得到大气密度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于SWARM-C卫星提取大气密度的方法，通过对加速度计数据的准确校正和卫星表面光照辐射压的精确建模，获取卫星轨道周边大气密度的实测数据，提高获得的大气密度结果的实时性和动态性。

为实现上述发明目的，本发明一种基于SWARM-C卫星提取大气密度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、数据重采样