基于实测数据的低轨道大气模型分析及大气密度反演与修正方法研究

Atmosphere drag is one of the main sources of perturbing force in low earth orbit for space object orbit accuracy determination and prediction. At present, improving the accuracy of Atmospheric density model is an important problem which should be taken up with, because it is crucial on orbit precise determination and prediction, maneuver controlling, collision avoidance and reentry. In this project, significant research has taken place to analyze the relative impact on orbit determination and prediction using different atmospheric density models based on diverse space objects real measuring observations and determine the proper model for calculation; Ballistic coefficient estimation is applied to study on atmospheric density retrieval method using objects practice observations; The extensive density database from space objects are used to analyze the error of atmospheric density models, and build a three-dimensions calibration model covering multiple orbit altitudes which is applied to different atmospheric density model , for obtain a higher accuracy space object orbit and prediction information. All analysis and calculation results of above are applied to space objects surveillance system.

大气阻力是影响低轨道空间目标轨道精密确定及预报精度的主要摄动力。大气密度模型的准确程度对低轨空间目标的精密定轨、轨道预报、变轨控制、碰撞预警及再入轨至关重要，提高大气模型精度是目前需要致力解决的重要问题。本项目利用积累到的不同低轨空间目标观测数据，基于不同经验大气密度模型，通过精密轨道解算及预报等方法确定大气密度模型对空间目标精密轨道确定精度及预报轨道精度的影响；利用低轨空间目标实测数据通过弹道系数估算等进行大气密度反演方法研究；利用实测的大气密度数据进行大气模型误差分析，建立涵盖多个轨道高度的三维修正因子模型，并将修正结果应用到不同的大气密度模型中，获取更高精度的空间目标轨道信息及轨道预报，将其应用于空间目标监测系统中。

影响低轨空间目标轨道星历精度的重要因素之一即为大气密度精度。截至目前，现有大气密度模型均不能保证在任何情况下都能稳定的表征大气密度实际变化，其误差范围可能从10%到200%。进一步提高大气密度模型精度成为极需致力解决的重要问题。本课题利用积累到的低轨空间目标高精度激光及GPS观测数据，基于不同经验大气密度模型，通过精密轨道解算方法确定不同大气密度模型对空间目标精密轨道确定精度影响并解算卫星精密轨道星历和大气阻力系数；然后通过取均值的方式估算空间目标弹道系数，利用实测大气密度数据及不同卫星精密轨道星历信息等进行大气密度反演方法研究，对反演得到的大气密度数据进行大气密度精度分析；最后通过构建校正函数的方式建立涵盖多个轨道高度的校正因子模型，对现有MSIS-00大气密度模型进行大气密度校正，并分析校正后的大气密度数据精度。研究结果表明，在太阳和地磁活动平静期，通过精密轨道星历反演得到的大气密度与其它各模型大气密度相比误差在10%~30%左右，利用激光测距数据通过精密轨道星历反演获取大气密度的方法可行.通过线性拟合方式建立不同轨道高度的校正函数集，对MSIS-00大气密度模型结果进行校正，研究结果表明此方法可显著提高模型大气密度数据精度。对于Champ卫星，在太阳活动高年2003年，平均误差可降至10%左右，在太阳活动低年2007年，平均误差可降至10%以下。且此方法还可以推广到其它轨道高度缺乏近期实测密度数据或反演大气密度数据的卫星轨道，对其大气密度进行模型大气密度校正。大气密度精度的提高可提高空间目标精密轨道确定及预报的精度。高精度的空间目标轨道确定和轨道预报，可提高空间目标碰撞预警分析的精确度，提升我国空间碎片监测预警水平，为在轨航天器的安全运行及有效规避提供基础的理论和技术支撑。同时对于快速应对突发事件，服务国家战略安全需求有重要的意义。