LEO－LEO掩星事件仿真研究

呂華平，嚴(yán)衛(wèi)，王迎強(qiáng)，2，羅杰，曹廣彬，袁凌峰

（1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 211101；2.電磁環(huán)境效應(yīng)與光電工程國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南 211101；3.66350部隊(duì)，內(nèi)蒙 錫林郭勒盟 011299）

LEO－LEO掩星事件仿真研究

呂華平1，嚴(yán)衛(wèi)1，王迎強(qiáng)1，2，羅杰1，曹廣彬3，袁凌峰1

（1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 211101；2.電磁環(huán)境效應(yīng)與光電工程國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南 211101；3.66350部隊(duì)，內(nèi)蒙 錫林郭勒盟 011299）

針對(duì)LEO－LEO掩星探測(cè)可以在不引進(jìn)外界溫度場(chǎng)的情況下，實(shí)現(xiàn)濕度和溫度的獨(dú)立反演，并成為未來(lái)掩星探測(cè)的重要發(fā)展領(lǐng)域，該文詳細(xì)介紹了目前國(guó)外主要的LEO－LEO掩星探測(cè)計(jì)劃，通過(guò)對(duì)LEO－LEO掩星事件的數(shù)量及分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，分別得出了一天和一個(gè)月當(dāng)中掩星事件發(fā)生的數(shù)量及在各個(gè)經(jīng)緯度區(qū)間的分布情況，并將仿真結(jié)果與歐空局的ACCURATE掩星探測(cè)計(jì)劃進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：仿真結(jié)果與實(shí)際情況比較吻合，驗(yàn)證了模型的有效性，可以為國(guó)內(nèi)LEO－LEO掩星探測(cè)計(jì)劃提供一定參考。

LEO－LEO；掩星事件；掩星數(shù)量；計(jì)算機(jī)仿真

1 引 言

全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）無(wú)線掩星探測(cè)具有全天候、長(zhǎng)期穩(wěn)定、高精度和高垂直分辨率等優(yōu)點(diǎn)，可以獲得地球大氣的折射率信息，并可進(jìn)一步反演得到電離層電子密度、中性大氣密度、氣壓、溫度和濕度等信息，在氣象、空間以及國(guó)防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［1］。GNSS－LEO掩星技術(shù)反演地球低層大氣水汽時(shí)存在水汽模糊現(xiàn)象，需要引入其他模式的溫度場(chǎng)才能反演出大氣水汽廓線。2001年歐洲科學(xué)家拓展了GNSS－LEO掩星的定義，提出了LEO－LEO掩星的概念，建議在LEO衛(wèi)星上分別加裝3波段的微波發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，利用差分吸收原理獨(dú)立反演大氣水汽廓線 年又提出通過(guò)增加LEO－ 紅外掩星探測(cè)中高層大氣成分的建議。

LEO－LEO掩星事件是指兩顆低軌衛(wèi)星（LEO）分別運(yùn)動(dòng)到地球的兩側(cè)，其中一顆LEO（作為反射衛(wèi)星，Transmitting Satellite，TS）相對(duì)于另一顆LEO（作為接收衛(wèi)星，Receiving Satellite，RS）從地平線降落或下升的過(guò)程，由發(fā)射衛(wèi)星發(fā)出微波或紅外信號(hào)，穿過(guò)地球大氣到達(dá)接收衛(wèi)星，由于兩顆LEO衛(wèi)星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)射信號(hào)從大氣層頂逐漸切過(guò)整層地球大氣直到地球表面，或者相反，從切過(guò)地球表面直到切過(guò)大氣層頂。信號(hào)從發(fā)射衛(wèi)星到達(dá)接受衛(wèi)星的過(guò)程中，由于大氣的衰減作用，會(huì)發(fā)生信號(hào)幅度和相位的變化，通過(guò)選擇水汽吸收線峰值附近的微波頻段，反演可獨(dú)立得到水汽資料，而不需要像GNSS－LEO掩星技術(shù)一樣，需要外部數(shù)據(jù)才能將濕度和溫度分離。

國(guó)內(nèi)對(duì)LEO－LEO掩星事件的仿真已經(jīng)有一定的研究，趙世軍等［5］利用射線追蹤法模擬了掩星事件，并討論了LEO衛(wèi)星的軌道傾角和高度對(duì)掩星事件發(fā)生的數(shù)量和分布的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)軌道傾角較低時(shí) 一天中全球發(fā)生的掩星事件集中于低緯地區(qū) 徐曉華等［6］分析了對(duì)于單顆LEO衛(wèi)星，掩星事件的分布和數(shù)量隨著LEO軌道參數(shù)包括軌道升交角距、升交點(diǎn)赤經(jīng)、軌道高度和傾角而變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)掩星事件數(shù)量與升交角距沒(méi)有顯著的關(guān)聯(lián)；LEO衛(wèi)星軌道高度對(duì)掩星事件的分布沒(méi)有顯著影響，但隨著軌道高度的遞增，掩星數(shù)量逐漸減少；衛(wèi)星軌道傾角是影響掩星事件沿緯度分布的重要因素。杜曉勇等［7］對(duì)LEO－LEO衛(wèi)星掩星事件的特征進(jìn)行了深入的討論，通過(guò)仿真計(jì)算定量討論了軌道參數(shù)對(duì)掩星事件次數(shù)及分布的影響，詳細(xì)分析了發(fā)射衛(wèi)星和接收衛(wèi)星的軌道高度、傾角、近地點(diǎn)角距、升交點(diǎn)赤經(jīng)等軌道參量對(duì)LEO－LEO掩星事件數(shù)量和分布的變化影響。

2 國(guó)外主要掩星探測(cè)計(jì)劃介紹

國(guó)外LEO－LEO掩星計(jì)劃主要有以下3個(gè)，分別是歐空局的ACE＋和ACCURATE計(jì)劃以及美國(guó)的ATOMMS計(jì)劃，下表展示了3個(gè)探測(cè)計(jì)劃的一些基本情況［8－10］。

探測(cè)精度與高度濕度精度0.25g／kg～1g／kg（0km～5km）0.01g／kg～0.25g／kg（5km～15km）探測(cè)大氣溫度、濕度和壓強(qiáng)可以探測(cè)6種主要溫室氣體：H2O、CO2、CH4、N2O、O3、CO 1%～3%水汽含量（0km～80km）1%～3%臭氧含量（10km～80km）溫度精度 0.5K～2K（0km～35km） 0.5K～2K（5km～35km） 0.4K（0km～80km）

2.1 ACE＋計(jì)劃

ACE＋計(jì)劃是歐洲空間局開(kāi)發(fā)的ACE（Atmosphere and Climate Explorer）計(jì)劃和 WATS（the Water Vapor and temperature in the Troposphere and Stratosphere）計(jì)劃的合并，是以無(wú)線電掩星技術(shù)監(jiān)測(cè)地球大氣為主要目的的低地球衛(wèi)星計(jì)劃。掩星觀測(cè)計(jì)劃由4顆小衛(wèi)星組成，分布在2個(gè)軌道平面上。星載GNSS掩星接收機(jī)可以分別接收GPS和Galileo導(dǎo)航星座信號(hào)，進(jìn)行GNSS－LEO掩星觀測(cè)。此外，4顆小衛(wèi)星中的兩顆衛(wèi)星，攜帶X和K波段的發(fā)射機(jī)，另外兩顆攜帶LEO－LEO掩星接收機(jī)，發(fā)射和接收信號(hào)的小衛(wèi)星反向運(yùn)行，分別在800km和650km高度軌道，LEO系統(tǒng)之間也進(jìn)行“LEO 大氣互探測(cè)計(jì)劃（Cross－Atmosphere LEOLEO sounder）”，稱為CALL掩星，可以測(cè)量電波振幅和相位變化，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立反演［11－16］，圖1為 ACE＋掩星探測(cè)示意圖。

ACE＋掩星觀測(cè)系統(tǒng)每天可以觀測(cè)5000個(gè)GNSS－LEO掩星事件，還有約250個(gè)LEO－LEO掩星觀測(cè)事件，從而獲得250個(gè)對(duì)流層溫度和水汽剖面［17｀］，其 LEO－LEO掩星事件一天內(nèi)分布圖如圖2所示。它將以高精度給出100km～800km電離層密度和0km～60km的大氣氣象場(chǎng)參數(shù)，其CALL探測(cè)精度和范圍是：在低對(duì)流層（0km～5km）濕度

圖1 ACE＋掩星探測(cè)示意圖

精度為0.25g／kg～1g／kg，高對(duì)流層（5km～15km）濕度精度為0.025g／kg～0.1g／kg，溫度探測(cè)范圍0km～50km，精度為0.5K～3K。ACE＋系統(tǒng)反演產(chǎn)品包括彎曲角剖面、吸收剖面、折射率剖面以及溫壓濕剖面等。該計(jì)劃創(chuàng)新之處在于，它以前所未有的技術(shù)和測(cè)量精度獲得全球大量的電離層和中性大氣的氣象場(chǎng)資料，特別是可以獨(dú)立反演大氣水汽場(chǎng)和溫度場(chǎng)的精確數(shù)據(jù)。

圖2 ACE＋計(jì)劃一天LEO－LEO掩星事件分布圖

2.2 ESA ACCURATE計(jì)劃

2004年以后，ESA又提出ACCURATE（Atmospheric Climate and Chemistry in the UTLS Region And climate Trends Explorer，上對(duì)流層和下平流層區(qū)域大氣氣候和化學(xué)以及氣候趨勢(shì)探測(cè)）計(jì)劃，該計(jì)劃繼承了ACE＋，提出集成高穩(wěn)定度K波段信號(hào)LEO－LEO掩星探測(cè)、GNSS－LEO掩星探測(cè)和紅外激光2μm～2.5μm波段掩星探測(cè)的方法，概念示意圖如圖3所示。在5km～35km高度范圍內(nèi)探測(cè)和監(jiān)測(cè)氣象和大氣化學(xué)過(guò)程。其采用自校準(zhǔn)方式同時(shí)觀測(cè)信號(hào)多普勒頻移和差分透射率廓線，從而獲得5km～35km范圍內(nèi)大氣溫度、濕度和壓強(qiáng)，它還可以探測(cè)6種主要的溫室氣體（H2O、CO2、CH4、N2O、O3和CO）、水汽、二氧化碳和它們的同位素 以及探測(cè)氣溶膠 云層和大氣閃爍等

圖3 ACCURATE探測(cè)計(jì)劃概念圖

ACCURATE計(jì)劃中，其LEO－LEO無(wú)線電掩星探測(cè)采用的都是K波段的頻率，分別為17.25GHz、20.2GHz和22.6GHz。ACE＋計(jì)劃中9.7GHz的X波段頻率在ACCURATE計(jì)劃中被取代為20.2GHz。優(yōu)點(diǎn)是3個(gè)頻點(diǎn)可以采用1個(gè)天線（ACE＋中9.7GHz頻率采用一個(gè)天線，其他兩個(gè)頻點(diǎn)采用一個(gè)天線），從而減少了儀器體積、重量和成本；缺點(diǎn)是由于頻率較高，無(wú)法探測(cè)5km以下大氣參數(shù)，但這與ACCURATE計(jì)劃探測(cè)高度5km～35km 的目標(biāo) 相 符［18－22］。此 外，ACCURATE 計(jì) 劃K波段LEO－LEO無(wú)線電掩星探測(cè)反演方法采用差分透射率法，在10km以下采用17.25GHz～20.2GHz差分法，這也是增加20.2GHz頻率的原因。

2.3 美國(guó)的ATOMMS計(jì)劃

美國(guó)NASA的ATOMMS（the Active Temperature，Ozone and Moisture Microwave Spectrometer）計(jì)劃組合GPS－LEO掩星探測(cè)系統(tǒng)和多頻率LEO－LEO主動(dòng)式無(wú)線電臨邊探測(cè) MLS（Microwave Limb Sounder）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)近地面到中間層大氣水汽、溫度和壓強(qiáng)探測(cè)，以及對(duì)流層頂?shù)酵瑴貙映粞鹾康母呔雀叽怪狈直媛侍綔y(cè)，而且不受云的影響［23－30］。

ATOMMS星座設(shè)計(jì)為12顆LEO衛(wèi)星，兩個(gè)傾角70°的軌道，高度分別為650km和800km，每個(gè)軌道分布6顆LEO衛(wèi)星，一天可以發(fā)生1000次以上LEO－LEO掩星事件和6000次～8000次GPSLEO 掩星事件［31－32］。

目前該項(xiàng)目的原理樣機(jī)已完成，該設(shè)備在18GHz到26GHz之間有8個(gè)通道，在180GHz和203GHz有兩個(gè)可調(diào)頻率的通道，這些通道可以測(cè)量水汽和臭氧含量，還可測(cè)量對(duì)流層頂?shù)降推搅鲗拥腍218O和N2O含量，該設(shè)備還采用13GHz精確測(cè)量載波相位 可獲得射線彎曲路徑和折射率廓線。目前探測(cè)設(shè)備的地面驗(yàn)證試驗(yàn)已開(kāi)展，在2011年開(kāi)展了飛機(jī)－飛機(jī)的機(jī)載驗(yàn)證試驗(yàn)。

3 LEO－LEO掩星事件的仿真

3.1 仿真模型的建立

對(duì)掩星事件進(jìn)行仿真時(shí)，首先利用衛(wèi)星開(kāi)普勒軌道參數(shù)，計(jì)算出不同時(shí)刻發(fā)射衛(wèi)星、接收衛(wèi)星的位置和速度，根據(jù)兩顆衛(wèi)星的位置和速度信息就可以進(jìn)一步求出衛(wèi)星和地球表面的幾何關(guān)系，包括地心到兩顆衛(wèi)星連線切點(diǎn)距離和切點(diǎn)高度以及兩顆衛(wèi)星之間的相對(duì)仰角和方位角。最后根據(jù)以下判定條件來(lái)判斷掩星事件是否發(fā)生：

（1）切點(diǎn)高度H滿足設(shè)定的上限100km、下限0km；

（2）切點(diǎn)在發(fā)射衛(wèi)星和接收衛(wèi)星連線間；

（3）發(fā)射衛(wèi)星相對(duì)于接收衛(wèi)星的天線可接收方位角A在設(shè)定的范圍內(nèi)（前后向掩星天線極限功率波束寬都為40°）。

LEO－LEO掩星事件發(fā)生地點(diǎn)和數(shù)量和衛(wèi)星軌道參數(shù)有關(guān)，包括發(fā)射衛(wèi)星和接收衛(wèi)星的軌道高度、傾角、升交點(diǎn)赤經(jīng)、近地點(diǎn)赤經(jīng)等。為了對(duì)LEOLEO掩星事件發(fā)生的地點(diǎn)和數(shù)量進(jìn)行仿真模擬，有關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示，衛(wèi)星軌道參數(shù)的設(shè)置參考ACCURATE 掩星探測(cè)計(jì)劃軌道參數(shù)［37－38］。

表2 LEO—LEO仿真模型主要指標(biāo)參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果與分析

模擬結(jié)果顯示共發(fā)生232次掩星事件，其中有118個(gè)上升掩星和118個(gè)下降掩星。全天掩星事件的分布圖如圖4所示，其中“Δ”表示上升掩星，“▽”表示下降掩星。

從這次掩星事件模擬結(jié)果中可以看出，一天內(nèi)的LEO－LEO掩星總數(shù)為232次，這與歐空局ACCURATE掩星探測(cè)系統(tǒng)提出的每天獲得對(duì)流層溫度和水汽剖面250次比較吻合。其中上升掩星和下降掩星的數(shù)量都在118次左右，說(shuō)明在一天的掩星事件中，上升掩星和下降掩星的數(shù)量比較持平。表3詳細(xì)展示了掩星事件在各區(qū)間的分布情況。

圖4 全天掩星事件分布圖

表3 一天中掩星事件在各個(gè)經(jīng)緯度區(qū)間的數(shù)量分布情況

圖5展示的是掩星事件發(fā)生區(qū)域和數(shù)量的統(tǒng)計(jì)情況，橫坐標(biāo)為經(jīng)緯度，縱坐標(biāo)為掩星事件發(fā)生的數(shù)量，通過(guò)該圖可以了解掩星事件在不同經(jīng)緯度地區(qū)的分布情況。

從圖中可以看出，一天中LEO－LEO掩星事件的數(shù)量在各個(gè)經(jīng)緯度區(qū)間分布較均勻，赤道附近掩星數(shù)量相對(duì)較密集，隨著經(jīng)緯度的增大，各個(gè)區(qū)間內(nèi)掩星數(shù)量的分布變化不大。在當(dāng)天的掩星事件中，在北半球，掩星事件發(fā)生數(shù)量相對(duì)較多的區(qū)域?yàn)?/p>

～ 南半球 掩星事件發(fā)生數(shù)量相對(duì)較多的區(qū)域?yàn)槟暇?0°S～50°S。從經(jīng)度范圍看，一天中掩星事件發(fā)生較多的區(qū)域?yàn)?60°W～140°W、100°E～120°E。由于本次只選取了某一天的掩星事件作為研究的個(gè)例，使研究的結(jié)果具有一定的偶然性，不能作為所有LEO－LEO掩星事件的分布特點(diǎn)。為了進(jìn)一步探索LEO－ 掩星事件的分布狀況 利用同樣的方法對(duì)掩星事件進(jìn)行仿真，為了使仿真結(jié)果更具代表性，將模擬時(shí)間由一天改為一個(gè)月。下圖展示的是一個(gè)月掩星事件發(fā)生區(qū)域和數(shù)量的統(tǒng)計(jì)情況，橫坐標(biāo)表示掩星事件發(fā)生的經(jīng)緯度，縱坐標(biāo)表示掩星事件發(fā)生的數(shù)量。

圖5 一天中掩星事件發(fā)生區(qū)域和數(shù)量統(tǒng)計(jì)情況

圖6 一個(gè)月中掩星事件發(fā)生區(qū)域和數(shù)量統(tǒng)計(jì)情況

在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，模擬的是一個(gè)月內(nèi)的掩星事件，一共有6971次掩星事件發(fā)生。從掩星事件的經(jīng)緯度分布狀況中可以看出，各個(gè)經(jīng)緯度區(qū)間內(nèi)掩星事件的數(shù)量相差不大。以緯度范圍內(nèi)為例，100為一步長(zhǎng)，各個(gè)區(qū)間內(nèi)掩星事件的數(shù)量基本維持在400次左右，說(shuō)明從長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，掩星事件發(fā)生地點(diǎn)的分布比較均勻。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹國(guó)內(nèi)有關(guān)LEO－LEO掩星仿真研究的基本進(jìn)展和國(guó)外主要的LEO－LEO掩星探測(cè)計(jì)劃，并對(duì)LEO－LEO掩星事件的數(shù)量和分布進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。首先建立掩星事件的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)設(shè)定衛(wèi)星軌道的基本參數(shù)，包括衛(wèi)星軌道高度、傾角、離心率和升交點(diǎn)赤經(jīng)、近地點(diǎn)角距等，討論了一天和一個(gè)月當(dāng)中掩星事件的分布和數(shù)量情況，并將仿真結(jié)果與歐空局ACCURATE掩星探測(cè)計(jì)劃提出的結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性與有效性，從而為發(fā)展我國(guó)自主的LEO－LEO掩星探測(cè)計(jì)劃提供一定的參考。

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Investigation of LEO－LEO Occultation Simulation

LV Hua－ping1，YAN Wei1，WANG Ying－qiang1，2，LUO Jie1，CAO Guang－bin3，YUAN Ling－feng1
（1.InstituteofMeteorologyandOceanography，PLAUniversityofScienceandTechnology，Nanjing211101；2.NationalKeyLaboratoryonElectromagneticEnvironmentalEffectsandElectro－OpticalEngineering，Nanjing211101；3.No.66350ArmyofPLA，XiLinGuolemeng011299）

LEO－LEO occultation detection will be a significant region in the future，which can measure temperature independently from water vapor without introducing another temperature source.This paper introduces in detail the major foreign LEO－LEO occultation exploration programs.The number and distribution in longitude and latitude interval of LEO－LEO occultation events occurred in the course of a day and a month are obtained based on simulation.When compared with the real results obtained from the satellite mission ACCURATE which was proposed by the European Space Agency，the simulation results coincide very well，which show that the system simulation model is valid and can be served as a reference for domestic LEO－LEO occultation detection plan.

LEO－LEO；occultation simulation；number of occultation；computer simulation

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.02.011

P405

A

1000－3177（2015）138－0065－07

2014－03－17

呂華平（1990～），男，碩士，主要從事低軌衛(wèi)星掩星數(shù)據(jù)反演大氣水汽方法研究。

E－mail：S201205024＠163.com

嚴(yán)衛(wèi)（1959～），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事衛(wèi)星遙感與應(yīng)用研究。

E－mail：15150678893＠163.com