掩星技術(shù)在衛(wèi)星編隊(duì)飛行中的應(yīng)用

李瀟 岳富占 蔡仁瀾 （航天恒星科技有限公司）

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類活動(dòng)不斷向高層大氣及太空拓展，地球空間大氣環(huán)境成為當(dāng)今世界各國(guó)科研、軍事、航天研究的一大熱點(diǎn)領(lǐng)域。在衛(wèi)星編隊(duì)飛行任務(wù)中利用掩星技術(shù)開展地球大氣環(huán)境的探測(cè)活動(dòng)是一項(xiàng)新興的氣象探測(cè)技術(shù)。通過(guò)在2顆編隊(duì)飛行的衛(wèi)星上分別搭載掩星信號(hào)發(fā)射機(jī)和掩星信號(hào)接收機(jī)，開展地球大氣探測(cè)，可獲取大氣溫度、密度、壓力、水汽含量、大氣臭氧成分的探測(cè)。

二、掩星技術(shù)的發(fā)展歷程

20世紀(jì)60年代，天文學(xué)家提出利用掩星技術(shù)測(cè)定行星大氣的方法。20世紀(jì)80年代末，國(guó)外開始研究一種新的基于GPS衛(wèi)星無(wú)線電信號(hào)探測(cè)地球大氣環(huán)境的方法：GPS無(wú)線電信號(hào)在穿越地球大氣層時(shí)受到大氣折射影響，傳播路徑發(fā)生彎曲，導(dǎo)致用戶接收機(jī)接收到的信號(hào)相位產(chǎn)生延遲，通過(guò)測(cè)量這些延遲量來(lái)獲取大氣中溫度、壓力、濕度、電子密度等信息，這種方法被稱為無(wú)線電掩星測(cè)量技術(shù)。隨著20世紀(jì)90年代美國(guó)全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS )完成整個(gè)GPS星座的組網(wǎng)任務(wù)，無(wú)線電掩星測(cè)量技術(shù)作為大氣空間環(huán)境探測(cè)的一種新手段成為現(xiàn)實(shí)。

1995年4月3日，美國(guó)開展了GPS/MET計(jì)劃，發(fā)射了第一顆用于GPS掩星技術(shù)實(shí)驗(yàn)的低軌衛(wèi)星MicroLab1。2年左右的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了GPS無(wú)線電掩星技術(shù)在探測(cè)地球空間大氣環(huán)境領(lǐng)域的可行性和科學(xué)意義。隨后，丹麥、德國(guó)、阿根廷、美國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、歐盟等國(guó)家和地區(qū)也先后發(fā)射了Orsted、CHAMP、SAC-C、GRACE、COSMIC、METOP等衛(wèi)星，開展了GNSS掩星探測(cè)地球大氣的試驗(yàn)和研究。采用低軌衛(wèi)星接收GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行掩星觀測(cè)可探測(cè)全球0～60km大氣折射率、密度、溫度、壓強(qiáng)以及水汽壓等氣象參量和100～800km電離層電子密度剖面（圖1）。

圖1 掩星技術(shù)原理

隨著掩星技術(shù)的不斷發(fā)展，歐洲科學(xué)家拓展了GNSS掩星技術(shù)的定義，發(fā)展出了低軌衛(wèi)星星間掩星技術(shù)（Low Earth Orbit RO，簡(jiǎn)稱LEO-LEO RO），即在2個(gè)低軌衛(wèi)星上分別搭載信號(hào)發(fā)射機(jī)和信號(hào)接收機(jī)進(jìn)行掩星觀測(cè)，并通過(guò)事后反演直接獲得大氣水汽和溫度。

相比于傳統(tǒng)的大氣要素探測(cè)方式，低軌衛(wèi)星星間掩星測(cè)量的數(shù)據(jù)豐富，范圍廣，測(cè)量高度可以覆蓋從地球表面到45km的高空。掩星觀測(cè)的最終產(chǎn)品是大氣和電離層折射場(chǎng)、大氣氣象要素以及大氣物理成分等，這些數(shù)據(jù)對(duì)于建立我國(guó)氣象數(shù)值產(chǎn)品模型具有重大意義，可直接服務(wù)于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

三、掩星技術(shù)在衛(wèi)星編隊(duì)飛行中的特點(diǎn)

LEO-LEO掩星觀測(cè)的基本原理：在2顆不同軌道高度運(yùn)行的低軌衛(wèi)星之間上分別安裝發(fā)射和接收機(jī)，衛(wèi)星高度為400～800km。2顆衛(wèi)星軌道相反方向運(yùn)行。由發(fā)射衛(wèi)星發(fā)出的微波信號(hào)，穿過(guò)地球大氣到達(dá)接收衛(wèi)星，當(dāng)滿足掩星條件時(shí)，發(fā)射衛(wèi)星相對(duì)于接收衛(wèi)星從地平線升起或降落。由于LEO衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，信號(hào)由大氣層頂逐漸切過(guò)整個(gè)地球大氣直到地球表面，或由切過(guò)地球表面直到切過(guò)大氣層頂。發(fā)射信號(hào)穿越低層大氣時(shí)，由于水汽的吸收，在接收機(jī)處接收到的信號(hào)幅值、相位均發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)的相位變化反演可以得到大氣折射率，通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)的振幅變化反演可以得到水汽吸收系數(shù)，在 獲取折射率廓線和水汽吸收系數(shù)之后，通過(guò)求解一系列的非線性方程可得到大氣氣象要素：大氣壓力、大氣溫度、相對(duì)濕度、氧分子含量等。LEO-LEO掩星觀測(cè)示意圖如圖2所示。

圖2 低軌衛(wèi)星星間掩星觀測(cè)示意圖

不同于GNSS掩星觀測(cè)技術(shù)，LEO-LEO掩星的發(fā)射信號(hào)一般選擇在X、K(10.9GHz～35GHz)頻段，這是由于大氣水汽對(duì)X、K頻段信號(hào)有較強(qiáng)的吸收作用，可以獨(dú)立反演得到大氣中水汽信息而不需要借助其他輔助信息。當(dāng)K頻段微波通過(guò)大氣時(shí)，大氣對(duì)其作用可歸納為吸收和散射兩種物理過(guò)程。吸收作用的強(qiáng)弱不但與波長(zhǎng)有關(guān)，還與大氣的溫度、氣壓和吸收氣體的含量有關(guān)。水汽分子在 微波區(qū)(1GHz～300GHz)有2條吸收譜線，其中心頻率分別為22.235GHz和183.31GHz。當(dāng)前多數(shù)微波遙感是在低于100GHz的頻率上工作，所以LEO-LEO掩星信號(hào)頻點(diǎn)一般選擇22.6GHz附近。大氣吸收系數(shù)隨信號(hào)頻率變化如圖3所示。

圖3 大氣吸收系數(shù)隨信號(hào)頻率變化圖

四、國(guó)外在衛(wèi)星編隊(duì)飛行中開展掩星觀測(cè)的實(shí)例

（1）ACE+計(jì)劃

ACE+是歐洲空間局新世紀(jì)的一個(gè)重大空間天氣計(jì)劃，是由歐洲的GPS氣象學(xué)試驗(yàn)計(jì)劃ACE（Atmosphere and Climate Explorer）和對(duì)流層和平流層水汽和溫度探測(cè)計(jì)劃WATS（the Water Vapor and temperature in the Troposphere and Stratosphere）合并而成。它是以無(wú)線電掩星技術(shù)監(jiān)測(cè)地球大氣為主要目標(biāo)的低軌衛(wèi)星計(jì)劃，目的是測(cè)量100～800km電離層密度和0～60km的大氣氣象場(chǎng)參數(shù)。原計(jì)劃于2008年發(fā)射4顆低軌衛(wèi)星，進(jìn)行L波段的GPS/GALILEO和GLONASS多個(gè)全球?qū)Ш蕉ㄎ恍l(wèi)星系統(tǒng)的跟蹤觀測(cè)。同時(shí)還用臨邊探測(cè)技術(shù)進(jìn)行恒星紫外和可見光波段吸收研究，研究整個(gè)平流層的臭氧層及其密度剖面。同時(shí)在系統(tǒng)中各個(gè)衛(wèi)星之間進(jìn)行“低軌大氣互探測(cè)計(jì)劃(Cross Atmosphere LEOLEO Sounder,CALL計(jì)劃)”。實(shí)施低軌大氣互探測(cè)計(jì)劃時(shí)，4顆低軌衛(wèi)星中的2顆發(fā)射X和K頻段的信號(hào)，另外2顆接收這些信號(hào)。發(fā)射和接收信號(hào)的低軌衛(wèi)星成反方向運(yùn)動(dòng)，并具有不同的飛行高度。

（2）ACCURATE計(jì)劃

ACCURATE計(jì)劃是歐空局ACE+計(jì)劃的升級(jí)版，它的英文全稱為Atmospheric Climate and Chemistry in the UTLS Region And climate Trends Explorer，其主要目的是在LEO衛(wèi)星之間同時(shí)測(cè)量溫室氣體含量、同位素、風(fēng)場(chǎng)和熱力學(xué)變量等大氣氣象和成分要素。測(cè)量原理結(jié)合了LEO衛(wèi)星之間紅外激光測(cè)量技術(shù)和LEO衛(wèi)星之間微波測(cè)量技術(shù)。

ACCURATE的科學(xué)任務(wù)為研究對(duì)流層上層以及同溫層底層的氣候進(jìn)程和大氣物理及化學(xué)成分，同時(shí)監(jiān)測(cè)大氣氣候以及化學(xué)成分的變化趨勢(shì)，最終建立和改善大氣氣候和化學(xué)成分的變化模型等。

ACCURATE計(jì)劃采用的紅外激光發(fā)射信號(hào)，它的短波長(zhǎng)為2～2.5μm。這一信號(hào)被大氣層中各種微量元素所吸收，這些微量元素的吸收廓線可以用信號(hào)投射測(cè)定法得到。通過(guò)微波測(cè)量技術(shù)得到的精確已知的溫度、壓力和濕度廓線信息是微量元素反演的前提。微波測(cè)量采用的信號(hào)頻率帶寬為17～23GHz和178～195GHz。目前，ACCURATE計(jì)劃測(cè)量如下6種溫室氣體：H2O、CO2、CH4、N2O、O3、CO，以及4種同位素：13CO2、C1800、HD0、H1820，測(cè)量范圍為對(duì)流層上層以及同溫層底層。

ACCURATE的觀測(cè)任務(wù)由以下3個(gè)部分組成：LEO-LEO之間K波段掩星測(cè)量；LEO-LEO之間紅外激光掩星測(cè)量；GALILEO-LEO之間和GPS-LEO之間掩星測(cè)量。

目前，ACCURATE計(jì)劃尚處于系統(tǒng)論證階段。

五、 總結(jié)與展望

從調(diào)研結(jié)果來(lái)看，目前國(guó)際上還沒有一個(gè)實(shí)際投入正常運(yùn)行的低軌衛(wèi)星星間掩星觀測(cè)系統(tǒng)。ACE+計(jì)劃盡管完成了前期的系統(tǒng)論證工作和系統(tǒng)、設(shè)備的仿真，但是由于經(jīng)費(fèi)原因，該計(jì)劃于2005年暫停。作為ACE+計(jì)劃的替代者，ACCURATE計(jì)劃目前還僅僅處于系統(tǒng)論證階段。其他計(jì)劃JPL公布的情況較少，只是了解到已完成了部分前期技術(shù)指標(biāo)論證且研制出單機(jī)有效載荷，地面及飛機(jī)飛行驗(yàn)證也已經(jīng)有了明確的時(shí)間表。

經(jīng)調(diào)研分析可知，國(guó)外LEO-LEO掩星觀測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：

1）多頻點(diǎn)微波兼容紅外激光掩星探測(cè)；

2）高增益、高穩(wěn)定性相位中心天線；

3）數(shù)據(jù)融合與同化技術(shù)，準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反演系統(tǒng)。