中高層大氣密度分離式探測(cè)器的制造方法
【專利摘要】一種中高層大氣密度分離式探測(cè)器，其具有微小衛(wèi)星平臺(tái)的通用模塊，其特征在于：所述中高層大氣密度分離式探測(cè)器還包括：用于簡(jiǎn)化大氣阻力的分析模型的球形結(jié)構(gòu)體外殼，表面覆蓋太陽電池片；加速度計(jì)，其設(shè)置在球形結(jié)構(gòu)體外殼內(nèi)，由4～6個(gè)靜電懸浮式加速度計(jì)圍繞軸心布置，用于測(cè)量大氣阻力；設(shè)置在球形結(jié)構(gòu)體外殼內(nèi)的GPS接收機(jī)，用于對(duì)微小衛(wèi)星的軌道速度和位置進(jìn)行跟蹤和監(jiān)測(cè)；設(shè)置在球形結(jié)構(gòu)體外殼內(nèi)的姿態(tài)控制系統(tǒng)，用于對(duì)微小衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行控制，使衛(wèi)星保持自旋穩(wěn)定，并保證GPS接收機(jī)天線和數(shù)傳天線的正確指向。
【專利說明】中高層大氣密度分離式探測(cè)器

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種中高層大氣密度分離式探測(cè)器，屬于空間探測(cè)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于 空間環(huán)境建模、衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈精確制導(dǎo)等。

【背景技術(shù)】：
[0002] 中高層大氣密度等參數(shù)的探測(cè)目前主要有幾種方法：
[0003] 1.中頻（MF)雷達(dá)、甚高頻（VHF)雷達(dá)和流星雷達(dá)
[0004] MF雷達(dá)、甚高頻雷達(dá)和流星雷達(dá)都能夠測(cè)量中間層和低熱層的風(fēng)廓線。中頻雷達(dá) 可用于測(cè)量60?IOOkm大氣風(fēng)場(chǎng)及電子密度。60-100km高度屬于電離層D區(qū)和E區(qū)的下 部，電子與中性大氣成分之間的碰撞頻率較高，電子與中性大氣運(yùn)動(dòng)速度是一致的。利用等 離子體對(duì)電磁波的反射及多普勒效應(yīng)測(cè)量電子運(yùn)動(dòng)速度，可以得到中性大氣風(fēng)場(chǎng)。
[0005] VHF雷達(dá)是利用清澈空氣的回波來獲取大氣結(jié)構(gòu)的信息，是當(dāng)前國(guó)際上可靠的全 天候地面無線電遙感測(cè)風(fēng)設(shè)備。它的主要功能是測(cè)量2?30km以及60?90km的三維大 氣風(fēng)速。
[0006] 流星雷達(dá)的技術(shù)基礎(chǔ)是流星通過大氣燒蝕產(chǎn)生的尾跡中含有大量的自由電子可 以對(duì)垂直于尾跡傳播的無線電波產(chǎn)生強(qiáng)的散射回波。流星雷達(dá)可探測(cè)中層和低熱層的大氣 風(fēng)場(chǎng)和溫度等參數(shù)。
[0007] 2?激光雷達(dá)
[0008] 利用激光雷達(dá)回波，可獲取地球上空30?IlOKm高度范圍大氣密度和溫度的空間 結(jié)構(gòu)和時(shí)間變化。根據(jù)激光束與大氣的作用機(jī)制不同，又可分為瑞利散射激光雷達(dá)、Raman 散射激光雷達(dá)、共振熒光散射激光雷達(dá)、差分吸收激光雷達(dá)和多普勒激光雷達(dá)等。不同的激 光雷達(dá)可以測(cè)量不同的大氣參數(shù)，包括大氣密度、溫度、臭氧含量、大氣衰減、能見度等。 [0009] 3?掩星探測(cè)
[0010] 掩星探測(cè)地球大氣被認(rèn)為是當(dāng)前大氣探測(cè)中最具有潛力的手段之一。實(shí)際運(yùn)用最 多的是從GPS掩星反演的地球大氣彎曲場(chǎng)、折射場(chǎng)、密度場(chǎng)和中性大氣層的氣壓、溫度、濕 度剖面，并可利用熱成風(fēng)和地轉(zhuǎn)風(fēng)的原理計(jì)算大氣風(fēng)場(chǎng)。它提供全天候的全球觀測(cè)，具有垂 直分辨率高、準(zhǔn)確、穩(wěn)定和探測(cè)參量多等特點(diǎn)。
[0011] 4?氣球、火箭及臨近空間飛行器
[0012] 氣象火箭是高層大氣直接探測(cè)的重要方法。氣象火箭直接測(cè)量參數(shù)是大氣溫度、 大氣風(fēng)速和風(fēng)向。利用發(fā)射前1小時(shí)發(fā)放的氣球探空儀測(cè)量15Km附近高度點(diǎn)的氣壓值， 由實(shí)測(cè)大氣溫度通過壓高公式和理想氣體狀態(tài)方程推算20-60km的大氣壓力和大氣密度。 火箭在60km以上高空拋出降落傘一探空儀系統(tǒng)，702雷達(dá)從火箭發(fā)射開始跟蹤探空儀，在 上升段測(cè)量火箭彈道和艙內(nèi)溫度，下降段測(cè)量大氣溫度并利用降落傘的飄跡來計(jì)算高空風(fēng) 場(chǎng)。
[0013] 參考文獻(xiàn)：
[0014] [1]呂達(dá)仁，陳洪濱，"大氣探測(cè)高技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展"，大氣科學(xué)，2008, 32 (4)。
[0015] [2]張曉芳，嚴(yán)衛(wèi)，"中高層大氣探測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展"，氣象科學(xué)，2007, 27 (4)。
[0016] [3]常岐海，楊國(guó)韜，等，"武漢中層大氣溫度特性的激光雷達(dá)觀測(cè)研究"，大氣科 學(xué)，2005, 29(2)。


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0017] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：在現(xiàn)有的中高層大氣密度探測(cè)方法中，地基無線電 雷達(dá)或激光雷達(dá)等只能對(duì)地面上空有限區(qū)域?qū)崿F(xiàn)探測(cè)，不能獲得全空間的大氣密度分布信 息；掩星探測(cè)則基于兩顆以上衛(wèi)星構(gòu)型掩星事件，成本較高；氣球及火箭探測(cè)也只能實(shí)現(xiàn) 局域空間大氣參量。
[0018] 本發(fā)明針對(duì)上述探測(cè)手段的不足，提出一種分離式載荷探測(cè)方法，簡(jiǎn)單高效地獲 得中高層大氣密度的空間分布，簡(jiǎn)單、高效、成本較低。
[0019] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種新型的中高層大氣密度分離式探測(cè)器，具 體的技術(shù)方案如下：
[0020] -種中高層大氣密度分離式探測(cè)器，其具有微小衛(wèi)星平臺(tái)的通用模塊，其特征在 于：所述中高層大氣密度分離式探測(cè)器還包括：用于簡(jiǎn)化大氣阻力的分析模型的球形結(jié)構(gòu) 體外殼，表面覆蓋太陽電池片；加速度計(jì)，其設(shè)置在球形結(jié)構(gòu)體外殼內(nèi)，由4?6個(gè)靜電懸浮 式加速度計(jì)圍繞軸心布置，用于測(cè)量大氣阻力；設(shè)置在球形結(jié)構(gòu)體外殼內(nèi)的GPS接收機(jī)，用 于對(duì)微小衛(wèi)星的軌道速度和位置進(jìn)行跟蹤和監(jiān)測(cè)；設(shè)置在球形結(jié)構(gòu)體外殼內(nèi)的姿態(tài)控制系 統(tǒng)，用于對(duì)微小衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行控制，使衛(wèi)星保持自旋穩(wěn)定，并保證GPS接收機(jī)天線和數(shù)傳天 線的正確指向。
[0021] 通過如下方案實(shí)現(xiàn)中高層大氣密度探測(cè)：
[0022] 1)通過火箭或衛(wèi)星將分離式載荷在300公里以上高度彈射入軌，之后分離式載荷 獨(dú)立沿衛(wèi)星軌道運(yùn)行，因其無推進(jìn)系統(tǒng)，在大氣阻力作用下軌道高度降低。
[0023] 2)沿軌運(yùn)行過程中的大氣阻力可以通過加速度計(jì)測(cè)量，軌道速度和軌道位置可以 通過GPS天線跟蹤獲得，利用以下公式測(cè)出大氣密度：

【權(quán)利要求】
1. 一種中高層大氣密度分離式探測(cè)器，其具有微小衛(wèi)星平臺(tái)的通用模塊，其特征在于： 所述中高層大氣密度分離式探測(cè)器還包括：用于簡(jiǎn)化大氣阻力的分析模型的球形結(jié)構(gòu)體外 殼，表面覆蓋太陽電池片；加速度計(jì)，其設(shè)置在球形結(jié)構(gòu)體外殼內(nèi)，由4?6個(gè)靜電懸浮式加 速度計(jì)圍繞軸心布置，用于測(cè)量大氣阻力；設(shè)置在球形結(jié)構(gòu)體外殼內(nèi)的GPS接收機(jī)，用于對(duì) 微小衛(wèi)星的軌道速度和位置進(jìn)行跟蹤和監(jiān)測(cè)；設(shè)置在球形結(jié)構(gòu)體外殼內(nèi)的姿態(tài)控制系統(tǒng)， 用于對(duì)微小衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行控制，使衛(wèi)星保持自旋穩(wěn)定，并保證GPS接收機(jī)天線和數(shù)傳天線 的正確指向。
2. -種利用權(quán)利要求1所述的中高層大氣密度分離式探測(cè)器的探測(cè)方法，其特征在 于，包括以下步驟： 1) 通過火箭或衛(wèi)星將分離式載荷在300公里以上高度彈射入軌，之后分離式載荷獨(dú)立 沿衛(wèi)星軌道運(yùn)行，因其無推進(jìn)系統(tǒng)，在大氣阻力作用下軌道高度降低。 2) 沿軌運(yùn)行過程中的大氣阻力可以通過加速度計(jì)測(cè)量，軌道速度和軌道位置可以通過 GPS天線跟蹤獲得，利用以下公式測(cè)出大氣密度：
公式中，F(xiàn)D為大氣阻力；P為大氣密度；⑶為大氣阻力系數(shù)；f為V衛(wèi)星的軌道速度； 為大氣風(fēng)場(chǎng)；A為垂直于速度方向的截面積；M為物體質(zhì)量；a為加速度； 其中，采用球形外形設(shè)計(jì)使得⑶變成一個(gè)常量，通過地面風(fēng)洞試驗(yàn)可以確切標(biāo)定；力口 速度a通過加速度計(jì)進(jìn)行在軌監(jiān)測(cè)，軌道速度V通過GPS天線進(jìn)行跟蹤測(cè)量，其余各參量都 可以在發(fā)射前通過地面實(shí)測(cè)獲得，最終根據(jù)上式可得到沿軌歷經(jīng)各空間位置的中高層大氣 密度P。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測(cè)方法，其特征在于：先使衛(wèi)星以10RPM的角速度自旋，則 加速度信號(hào)被調(diào)制為頻率為l/6Hz的正弦信號(hào)，再通過帶通濾波器將噪聲濾除，獲得較高 精度的加速度信號(hào)，濾波器的通帶寬度為ΙΟ-3-ΙΟΟΗζ。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測(cè)方法，其特征在于：所述方法用于探測(cè)80-300公里高度 范圍內(nèi)分離式載荷沿軌所經(jīng)歷各個(gè)位置的大氣密度數(shù)據(jù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中高層大氣密度分離式探測(cè)器，其特征在于：其用于探測(cè) 80-300公里高度范圍內(nèi)分離式載荷沿軌所經(jīng)歷各個(gè)位置的大氣密度數(shù)據(jù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中高層大氣密度分離式探測(cè)器，其特征在于：所述太陽能電 池片的外表面為光滑結(jié)構(gòu)，其貼附于球形外殼上并形成為整體一片結(jié)構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中高層大氣密度分離式探測(cè)器，其特征在于：所述GPS接收 機(jī)內(nèi)具有GPRS信號(hào)接收裝置，所述GPRS信號(hào)接收裝置與所述GPS接收機(jī)天線以及數(shù)傳天 線電連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中高層大氣密度分離式探測(cè)器，其特征在于：所述姿態(tài)控制 系統(tǒng)具有與所述太陽能電池片電連接的電機(jī)，所述姿態(tài)控制系統(tǒng)具有獨(dú)立的控制芯片。
【文檔編號(hào)】G01S13/95GK104391299SQ201410664038
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】劉國(guó)青, 黃建國(guó), 姜利祥, 焦子龍, 張超, 朱云飛 申請(qǐng)人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所