利用微纳卫星探测热层大气密度

来源：中国科学杂志社

微纳卫星技术是近年来发展起来的小型化、低成本的卫星研发技术，APOD卫星项目首次将该技术应用于空间环境探测并取得了很好的成果，这将为我国利用微纳卫星开展空间环境组网探测提供非常有益的借鉴。

位于中间层以上到散逸层之下的热层是大量航天活动的重要场所（图1），虽然热层大气密度稀薄，但是由于航天器运动速度极快，随着时间的累积，由热层大气密度引起的大气阻尼就成了影响其运行的主要因素。航天器的任务规划、寿命估算、空间操作、再入返回以及太空垃圾的监测、编目及碰撞预警和规避等重要的航天活动都极大地依赖于人们对热层大气环境的认知。

图1 大气层的结构

热层大气密度并不是一成不变的，它会随着地球自转公转带来的季节变化和周日变化以及航天器所在位置等因素而变化，同时还因太阳辐射和地磁场扰动的变化以及低层大气波动而剧烈活动（图2）。

图2  热层大气受太阳影响示意图

比如在太阳活动爆发时，增强的紫外波段辐射能量可以使热层大气密度比太阳平静期间增加几十倍，从而使得低地球轨道航天器轨道高度每天的衰减量从几百米增加到几千米不等。在地球磁场扰动时，随着强烈的极区能量注入到热层区域，大气密度在1至2小时内可增加一倍以上，进而对低轨道航天器的精密定轨和轨道预报产生极大影响。因此热层大气密度的探测、变化规律研究和建模应用越来越受到航天领域的重视，并且始终与航天器的轨道变化紧密关联。然而，由于热层大气的全球时变特征，利用传统的卫星开展热层大气密度探测是一项极为昂贵的科学活动，难以实现全球范围高时空分辨率的探测。随着低成本的微纳卫星技术的发展，为研究热层大气的高分辨率的全球分布特征提供了极好的机会。

大气密度探测及精密定轨立方星试验项目（The Atmospheric density detection and Precise Orbit Determination cubsat project）是以中高层大气密度探测和建模应用为科学目标，利用低成本小型化的立方星进行大气密度的原位探测和精密轨道反演作为探测手段，围绕解决我国航天工程应用需求提出的科学试验卫星项目。

图3  APOD卫星于2015年9月20日搭乘长征六号火箭一箭多星试验发射入轨

该卫星于2015年9月20日搭载我国长征六号一箭二十星首发试验升空（图3），运行于450-500km高度附近的太阳同步轨道，至今已经稳定运行超过四年，获得了大量的中高层大气密度探测数据。卫星搭载了大气密度探测仪、GNSS精密定轨接收机、激光角反射器、VLBI信标等科学载荷（图4）。

图4  APOD-A卫星及载荷示意图

该试验项目通过GNSS/SLR/VLBI三种技术手段的并置进行精密轨道的确定和独立验证，通过精密轨道反演大气密度和原位探测大气密度两种独立手段进行密度比对，从而获得精度可靠的轨道空间大气密度参数。该项目提出的GNSS/SLR/VLBI搭载方案在国际上首次实现了三种精密定轨技术并置观测，参与了国际卫星激光测距组织（ILRS）的联测，并被国际VLBI服务组织（IVS）的近地目标VLBI观测组（IVS/WG7）作为首次近地卫星VLBI观测对象进行试验，组织了澳大利亚VLBI网，欧洲Wettzel-Onsala的VLBI观测站进行试验观测。该项目设计的精密轨道反演大气密度和原位探测大气密度独立比对方案，很好地修正了原位探测大气密度的系统性偏差，从而获得了一秒一点的高时空分辨率的大气密度探测值，为研究热层大气密度的细节变化规律提供了很好的数据源，相关成果陆续发表在《中国科学》、《中国空间科学》、《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》以及《Advanced in Space Research》 等杂志。

发表于《中国科学：地球科学》英文版2020年第2期的论文“APOD missionstatus and preliminary results ”系统性地描述了APOD卫星任务的背景意义、卫星及载荷配置、数据处理方法、精密定轨结果、大气密度反演精度、与经验大气密度模式比对分析情况以及在典型空间天气事件过程中该卫星反演结果反映的密度变化规律等。