中高层大气密度分离式探测器的制造方法
【专利摘要】一种中高层大气密度分离式探测器，其具有微小卫星平台的通用模块，其特征在于：所述中高层大气密度分离式探测器还包括：用于简化大气阻力的分析模型的球形结构体外壳，表面覆盖太阳电池片；加速度计，其设置在球形结构体外壳内，由4～6个静电悬浮式加速度计围绕轴心布置，用于测量大气阻力；设置在球形结构体外壳内的GPS接收机，用于对微小卫星的轨道速度和位置进行跟踪和监测；设置在球形结构体外壳内的姿态控制系统，用于对微小卫星姿态进行控制，使卫星保持自旋稳定，并保证GPS接收机天线和数传天线的正确指向。
【专利说明】中高层大气密度分离式探测器
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种中高层大气密度分离式探测器，属于空间探测领域，主要应用于 空间环境建模、卫星轨道预报、战略导弹精确制导等。
【背景技术】：
[0002] 中高层大气密度等参数的探测目前主要有几种方法：
[0003] 1.中频（MF)雷达、甚高频（VHF)雷达和流星雷达
[0004] MF雷达、甚高频雷达和流星雷达都能够测量中间层和低热层的风廓线。中频雷达 可用于测量60?IOOkm大气风场及电子密度。60-100km高度属于电离层D区和E区的下 部，电子与中性大气成分之间的碰撞频率较高，电子与中性大气运动速度是一致的。利用等 离子体对电磁波的反射及多普勒效应测量电子运动速度，可以得到中性大气风场。
[0005] VHF雷达是利用清澈空气的回波来获取大气结构的信息，是当前国际上可靠的全 天候地面无线电遥感测风设备。它的主要功能是测量2?30km以及60?90km的三维大 气风速。
[0006] 流星雷达的技术基础是流星通过大气烧蚀产生的尾迹中含有大量的自由电子可 以对垂直于尾迹传播的无线电波产生强的散射回波。流星雷达可探测中层和低热层的大气 风场和温度等参数。
[0007] 2?激光雷达
[0008] 利用激光雷达回波，可获取地球上空30?IlOKm高度范围大气密度和温度的空间 结构和时间变化。根据激光束与大气的作用机制不同，又可分为瑞利散射激光雷达、Raman 散射激光雷达、共振荧光散射激光雷达、差分吸收激光雷达和多普勒激光雷达等。不同的激 光雷达可以测量不同的大气参数，包括大气密度、温度、臭氧含量、大气衰减、能见度等。 [0009] 3?掩星探测
[0010] 掩星探测地球大气被认为是当前大气探测中最具有潜力的手段之一。实际运用最 多的是从GPS掩星反演的地球大气弯曲场、折射场、密度场和中性大气层的气压、温度、湿 度剖面，并可利用热成风和地转风的原理计算大气风场。它提供全天候的全球观测，具有垂 直分辨率高、准确、稳定和探测参量多等特点。
[0011] 4?气球、火箭及临近空间飞行器
[0012] 气象火箭是高层大气直接探测的重要方法。气象火箭直接测量参数是大气温度、 大气风速和风向。利用发射前1小时发放的气球探空仪测量15Km附近高度点的气压值， 由实测大气温度通过压高公式和理想气体状态方程推算20-60km的大气压力和大气密度。 火箭在60km以上高空抛出降落伞一探空仪系统，702雷达从火箭发射开始跟踪探空仪，在 上升段测量火箭弹道和舱内温度，下降段测量大气温度并利用降落伞的飘迹来计算高空风 场。
[0013] 参考文献：
[0014] [1]吕达仁，陈洪滨，"大气探测高技术及应用研究进展"，大气科学，2008, 32 (4)。
[0015] [2]张晓芳，严卫，"中高层大气探测技术的研究进展"，气象科学，2007, 27 (4)。
[0016] [3]常岐海，杨国韬，等，"武汉中层大气温度特性的激光雷达观测研究"，大气科 学，2005, 29(2)。
【发明内容】
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[0017] 本发明要解决的技术问题是：在现有的中高层大气密度探测方法中，地基无线电 雷达或激光雷达等只能对地面上空有限区域实现探测，不能获得全空间的大气密度分布信 息；掩星探测则基于两颗以上卫星构型掩星事件，成本较高；气球及火箭探测也只能实现 局域空间大气参量。
[0018] 本发明针对上述探测手段的不足，提出一种分离式载荷探测方法，简单高效地获 得中高层大气密度的空间分布，简单、高效、成本较低。
[0019] 为解决上述技术问题，本发明提供一种新型的中高层大气密度分离式探测器，具 体的技术方案如下：
[0020] -种中高层大气密度分离式探测器，其具有微小卫星平台的通用模块，其特征在 于：所述中高层大气密度分离式探测器还包括：用于简化大气阻力的分析模型的球形结构 体外壳，表面覆盖太阳电池片；加速度计，其设置在球形结构体外壳内，由4?6个静电悬浮 式加速度计围绕轴心布置，用于测量大气阻力；设置在球形结构体外壳内的GPS接收机，用 于对微小卫星的轨道速度和位置进行跟踪和监测；设置在球形结构体外壳内的姿态控制系 统，用于对微小卫星姿态进行控制，使卫星保持自旋稳定，并保证GPS接收机天线和数传天 线的正确指向。
[0021] 通过如下方案实现中高层大气密度探测：
[0022] 1)通过火箭或卫星将分离式载荷在300公里以上高度弹射入轨，之后分离式载荷 独立沿卫星轨道运行，因其无推进系统，在大气阻力作用下轨道高度降低。
[0023] 2)沿轨运行过程中的大气阻力可以通过加速度计测量，轨道速度和轨道位置可以 通过GPS天线跟踪获得，利用以下公式测出大气密度：
【权利要求】
1. 一种中高层大气密度分离式探测器，其具有微小卫星平台的通用模块，其特征在于： 所述中高层大气密度分离式探测器还包括：用于简化大气阻力的分析模型的球形结构体外 壳，表面覆盖太阳电池片；加速度计，其设置在球形结构体外壳内，由4?6个静电悬浮式加 速度计围绕轴心布置，用于测量大气阻力；设置在球形结构体外壳内的GPS接收机，用于对 微小卫星的轨道速度和位置进行跟踪和监测；设置在球形结构体外壳内的姿态控制系统， 用于对微小卫星姿态进行控制，使卫星保持自旋稳定，并保证GPS接收机天线和数传天线 的正确指向。
2. -种利用权利要求1所述的中高层大气密度分离式探测器的探测方法，其特征在 于，包括以下步骤： 1) 通过火箭或卫星将分离式载荷在300公里以上高度弹射入轨，之后分离式载荷独立 沿卫星轨道运行，因其无推进系统，在大气阻力作用下轨道高度降低。 2) 沿轨运行过程中的大气阻力可以通过加速度计测量，轨道速度和轨道位置可以通过 GPS天线跟踪获得，利用以下公式测出大气密度：
公式中，FD为大气阻力；P为大气密度；⑶为大气阻力系数；f为V卫星的轨道速度； 为大气风场；A为垂直于速度方向的截面积；M为物体质量；a为加速度； 其中，采用球形外形设计使得⑶变成一个常量，通过地面风洞试验可以确切标定；力口 速度a通过加速度计进行在轨监测，轨道速度V通过GPS天线进行跟踪测量，其余各参量都 可以在发射前通过地面实测获得，最终根据上式可得到沿轨历经各空间位置的中高层大气 密度P。
3. 根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于：先使卫星以10RPM的角速度自旋，则 加速度信号被调制为频率为l/6Hz的正弦信号，再通过带通滤波器将噪声滤除，获得较高 精度的加速度信号，滤波器的通带宽度为ΙΟ-3-ΙΟΟΗζ。
4. 根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于：所述方法用于探测80-300公里高度 范围内分离式载荷沿轨所经历各个位置的大气密度数据。
5. 根据权利要求1所述的中高层大气密度分离式探测器，其特征在于：其用于探测 80-300公里高度范围内分离式载荷沿轨所经历各个位置的大气密度数据。
6. 根据权利要求1所述的中高层大气密度分离式探测器，其特征在于：所述太阳能电 池片的外表面为光滑结构，其贴附于球形外壳上并形成为整体一片结构。
7. 根据权利要求1所述的中高层大气密度分离式探测器，其特征在于：所述GPS接收 机内具有GPRS信号接收装置，所述GPRS信号接收装置与所述GPS接收机天线以及数传天 线电连接。
8. 根据权利要求1所述的中高层大气密度分离式探测器，其特征在于：所述姿态控制 系统具有与所述太阳能电池片电连接的电机，所述姿态控制系统具有独立的控制芯片。
【文档编号】G01S13/95GK104391299SQ201410664038
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】刘国青, 黄建国, 姜利祥, 焦子龙, 张超, 朱云飞 申请人:北京卫星环境工程研究所