我们个体将隔断地表９0km以上的高空大气称为高层大气，在这个高度以上，大气密度随着高度的减少急剧起飞，到200km高度时，大气密度已经约为地面的5亿分之一！诚然那里的大气密度已经如此稀薄，但卫星高速地绕地球运行（约７.９km/s），所受到的大气阻力仍旧不成轻视。就像当我们在公路上骑行，往往因来自氛围的阻力感受辛苦一样，卫星也会因为大气阻力的影响而缓缓感受“劳顿”从而产生轨道衰减。现有的科学手艺已经可以或许很是粗略地仿照出除大气阻力之外卫星所受的种种扰动力，包含地球非球形扰动、日月扰动和辐射光压扰动等，因此大气阻力产生活力的扰动已经成为卫星定轨和预告的更大瑕玷根源。为了算计出卫星受到的大气阻力，必要尽或是粗略地知道那里的大气密度事实是多少很多多少。那么如何丈量出那里的大气密度呢？下面本文摆列出目前几种常见的丈量门径。

　　

　　高层大气密度是怎么测量的？

　　

　　图1 卫星轨道在大气阻力的传染感动下匆匆衰减

　　

　　大气密度探测器

　　

　　丈量高层大气密度的传统门径是驳回大气密度探测器休止探测，我国神舟系列飞船和天宫系列翱翔器都搭载有该仪器，其首要的任务原理是通过直接探测传感器内的气体压力和温度，并荟萃由气体分子动力学实际所创立的基本干系式来得到自在大气密度。

　　

　　大气密度探测器由传感器、电子途程和布局件构成。传感器由取样室、离子源、B-A规和温度传感器4全体构成。外界环境中的气体分子进入取样室后，通过碰撞其温度被调节成濒临器壁的温度，此时原子态的气体充沛异化成中性。内置的PN结温度计可直接丈量取样室的温度，B-A规电离计可测得传感器内气压。调节后的中性分子到达传感器的感测区，通过电离构成正离子，搜集后从正离子流的强度得到传感器内气体的压强。

　　

　　星载加快仪

　　

　　星载加快仪是一种精度很是高的丈量门径，重力卫星CHAMP、GRACE、GOCE和以研讨地球磁场为目标的欧空局SWARM卫星均搭载有这种载荷。以CHAMP卫星为例，其陈说的是一种3轴静电悬浮星载加快仪，由法国国家空间研讨中心（CNES）和法国国家航空空间研讨局（ONERA）共同经管束造，下面给出具体的探测原理。

　　

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　　图2 CHAMP卫星示经管（加快仪安顿于卫星质心处）

　　

　　高层大气密度是怎么测量的？

　　

　　图3 GRACE-A/B双星示经管

　　

　　将试验物体自在地安顿于容器中，该容器的器壁装有电极，可以或许通过静电悬浮传染感动管束试验物体的流动，通过在传感器单元内部供给一个闭合的环路管束，可粗略地使试验物体固定在容器地方。我们将卫星不受外力时的形态称为初始形态，在该形态下，试验物体的质心与卫星质心重合。若卫星只受到地球引力而不有受到任何此外非古板力的影响，则初始形态刚强，当卫星受到此外非古板力扰动时（大气阻力、日月、潮汐、光压扰动），试验物体质心就会由于惯性偏离卫星本体质心，并与各内壁的隔断产生活力变迁，传感器感受到这种变迁后，会即时调整电压，将物体从新“推”回中心地位，这种减少的“电推力”等效于外部受到的非古板力。电压的变迁通过换算，就可以得到非古板力加快度的大小。博客这个非古板力又与大气密度直接关连，因此可以或许算计出对应的大气密度。

　　

　　高层大气密度是怎么测量的？

　　

　　图4 CHAMP卫星搭载的加快仪

　　

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　　图５ 星载加快仪原理图高层大气密度是怎么测量的？

　　

　　星载加快仪数据具有精度高、判袂率高的本性。通过表1可以或许看出CHAMP加快仪精度达10-９m/s2，GRACE卫星精度更是达到10-10m/s2，换算成大气密度，精度可达10-1５~10-14kg/m3。而在CHAMP和GRACE的高度，大气密襟怀胸襟级约为10-13~10-11kg/m3。因此通过加快仪数据可以或许较为粗略地丈量出卫星轨道处的大气密度。

　　

　　高层大气密度是怎么测量的？

　　

　　表1 加快仪基本动态

　　

　　从表1中我们或是创举目前的高精度加快仪大全体凡是法国临盆的，痛惜的是，我国目前尚不具有临盆如此高精度加快仪的威力。我国航天工程中的加快度计多用于载体的微重力丈量系统和高精度惯导系统中，也可用于高精度的动态角度丈量系统中，将加快度用于大气反演方面还没有工程先例。如图５是海外财富级的用于惯导方面的加快度计，其判袂率量级约为10-六m/s2。

　　

　　高层大气密度是怎么测量的？

　　

　　图六 星载加快仪原理图

　　

　　与加快仪原理相同的一种仪器是“阻力平衡仪”，它由弹簧系统包揽静电系统，通过弹簧位移获得阻力，进而获得大气密度。该门径末端由意大利罗马大学率先提出，首要搭载于轻细卫星平台。该门径曾为MSIS９0形式的创立供给了阻力平衡器数据。

　　

　　轨道数据反演

　　

　　独霸卫星轨道数据反演大气密度也是丈量大气密度的一项求助根源，许多已知的半教育大气模型凡因而这种门径算计获得的大气密度作为数据根蒂而创立的，如Jacchia和CIRA系列模型。其基本原理（图７）是：卫星在大气阻力的传染感动下会偏离预定轨道，独霸轨道参数的变迁与大气密度的干系就可反演出大气密度。

　　

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　　图７ 独霸轨道衰减反演大气密度示经管

　　

　　近十几年出现了独霸卫星两行轨道根数（TLE）反演大气密度的门径。顾名思义，TLE数据是由两行轨道根数构成的，包孕了卫星的编号、时间和六个轨道参数（轨道倾角、偏心率、逐日绕行圈数、升交点赤经、近所在角距、平近点角）等动态。TLE数据从上世纪５0年代起就开端记载，遏制201７年六月尾，在编方针已达42000多个，共累计数据1亿多组，因此TLE数据具有低劣的空间覆盖率和时空接连性，这为大气密度的反演和研讨大气密度的经久变迁趋势供给了宝贵的数据根源。

　　

　　TLE中的逐日绕行圈数可以或许供给轨道衰减动态。卫星在大气阻力的传染感动下轨道匆匆衰减，招致逐日绕行圈数匆匆减少，独霸这一参数，并荟萃此外各项轨道参数与大气密度的干系就可算计出卫星轨道处的大气密度。

　　

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　　图8 201六年天宫一号逐日绕行圈数

　　

　　由于每颗卫星天天只记载有限的几组TLE数据，因此TLE的时间判袂率并不抱负，针对这一标题问题，近几年又出现了独霸卫星高精度GPS数据反演大气密度的门径，该门径原理与TLE相同，但由于GPS数据记载频次高，因此具有很是高的时间判袂率。该门径的流毒是对GPS数据的品质苦求很是高，必要GPS精度达到厘米量级，而目前达到这一苦求的卫星数据很是少，因此所能反演的大气密度十分有限。

　　

　　以上是目前丈量大气密度的几种常见门径，所得大气密度就可用来创立新的密度模型，又可对已有的模型休止修改。在实际应用过程当中，卫星定轨和预告大全体是用大气模型来仿照大气密度的影响，而现有的模型普遍具有1５%以上的瑕玷，因此如何丈量出更加粗略的大气密度仍旧任重而道远。