掩星技術在衛星編隊飛行中的應用

李瀟 岳富占 蔡仁瀾 （航天恒星科技有限公司）

一、引言

隨著科學技術的發展和人類活動不斷向高層大氣及太空拓展，地球空間大氣環境成為當今世界各國科研、軍事、航天研究的一大熱點領域。在衛星編隊飛行任務中利用掩星技術開展地球大氣環境的探測活動是一項新興的氣象探測技術。通過在2顆編隊飛行的衛星上分別搭載掩星信號發射機和掩星信號接收機，開展地球大氣探測，可獲取大氣溫度、密度、壓力、水汽含量、大氣臭氧成分的探測。

二、掩星技術的發展歷程

20世紀60年代，天文學家提出利用掩星技術測定行星大氣的方法。20世紀80年代末，國外開始研究一種新的基于GPS衛星無線電信號探測地球大氣環境的方法：GPS無線電信號在穿越地球大氣層時受到大氣折射影響，傳播路徑發生彎曲，導致用戶接收機接收到的信號相位產生延遲，通過測量這些延遲量來獲取大氣中溫度、壓力、濕度、電子密度等信息，這種方法被稱為無線電掩星測量技術。隨著20世紀90年代美國全球定位系統(Global Positioning System, GPS )完成整個GPS星座的組網任務，無線電掩星測量技術作為大氣空間環境探測的一種新手段成為現實。

1995年4月3日，美國開展了GPS/MET計劃，發射了第一顆用于GPS掩星技術實驗的低軌衛星MicroLab1。2年左右的觀測結果證實了GPS無線電掩星技術在探測地球空間大氣環境領域的可行性和科學意義。隨后，丹麥、德國、阿根廷、美國、中國臺灣、歐盟等國家和地區也先后發射了Orsted、CHAMP、SAC-C、GRACE、COSMIC、METOP等衛星，開展了GNSS掩星探測地球大氣的試驗和研究。采用低軌衛星接收GNSS導航衛星信號進行掩星觀測可探測全球0～60km大氣折射率、密度、溫度、壓強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 掩星技術原理

隨著掩星技術的不斷發展，歐洲科學家拓展了GNSS掩星技術的定義，發展出了低軌衛星星間掩星技術（Low Earth Orbit RO，簡稱LEO-LEO RO），即在2個低軌衛星上分別搭載信號發射機和信號接收機進行掩星觀測，并通過事后反演直接獲得大氣水汽和溫度。

相比于傳統的大氣要素探測方式，低軌衛星星間掩星測量的數據豐富，范圍廣，測量高度可以覆蓋從地球表面到45km的高空。掩星觀測的最終產品是大氣和電離層折射場、大氣氣象要素以及大氣物理成分等，這些數據對于建立我國氣象數值產品模型具有重大意義，可直接服務于我國國民經濟建設。

三、掩星技術在衛星編隊飛行中的特點

LEO-LEO掩星觀測的基本原理：在2顆不同軌道高度運行的低軌衛星之間上分別安裝發射和接收機，衛星高度為400～800km。2顆衛星軌道相反方向運行。由發射衛星發出的微波信號，穿過地球大氣到達接收衛星，當滿足掩星條件時，發射衛星相對于接收衛星從地平線升起或降落。由于LEO衛星的相對運動，信號由大氣層頂逐漸切過整個地球大氣直到地球表面，或由切過地球表面直到切過大氣層頂。發射信號穿越低層大氣時，由于水汽的吸收，在接收機處接收到的信號幅值、相位均發生變化。通過測量接收信號的相位變化反演可以得到大氣折射率，通過測量接收信號的振幅變化反演可以得到水汽吸收系數，在 獲取折射率廓線和水汽吸收系數之后，通過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、相對濕度、氧分子含量等。LEO-LEO掩星觀測示意圖如圖2所示。

圖2 低軌衛星星間掩星觀測示意圖

不同于GNSS掩星觀測技術，LEO-LEO掩星的發射信號一般選擇在X、K(10.9GHz～35GHz)頻段，這是由于大氣水汽對X、K頻段信號有較強的吸收作用，可以獨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K頻段微波通過大氣時，大氣對其作用可歸納為吸收和散射兩種物理過程。吸收作用的強弱不但與波長有關，還與大氣的溫度、氣壓和吸收氣體的含量有關。水汽分子在 微波區(1GHz～300GHz)有2條吸收譜線，其中心頻率分別為22.235GHz和183.31GHz。當前多數微波遙感是在低于100GHz的頻率上工作，所以LEO-LEO掩星信號頻點一般選擇22.6GHz附近。大氣吸收系數隨信號頻率變化如圖3所示。

圖3 大氣吸收系數隨信號頻率變化圖

四、國外在衛星編隊飛行中開展掩星觀測的實例

（1）ACE+計劃

ACE+是歐洲空間局新世紀的一個重大空間天氣計劃，是由歐洲的GPS氣象學試驗計劃ACE（Atmosphere and Climate Explorer）和對流層和平流層水汽和溫度探測計劃WATS（the Water Vapor and temperature in the Troposphere and Stratosphere）合并而成。它是以無線電掩星技術監測地球大氣為主要目標的低軌衛星計劃，目的是測量100～800km電離層密度和0～60km的大氣氣象場參數。原計劃于2008年發射4顆低軌衛星，進行L波段的GPS/GALILEO和GLONASS多個全球導航定位衛星系統的跟蹤觀測。同時還用臨邊探測技術進行恒星紫外和可見光波段吸收研究，研究整個平流層的臭氧層及其密度剖面。同時在系統中各個衛星之間進行“低軌大氣互探測計劃(Cross Atmosphere LEOLEO Sounder,CALL計劃)”。實施低軌大氣互探測計劃時，4顆低軌衛星中的2顆發射X和K頻段的信號，另外2顆接收這些信號。發射和接收信號的低軌衛星成反方向運動，并具有不同的飛行高度。

（2）ACCURATE計劃

ACCURATE計劃是歐空局ACE+計劃的升級版，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衛星之間同時測量溫室氣體含量、同位素、風場和熱力學變量等大氣氣象和成分要素。測量原理結合了LEO衛星之間紅外激光測量技術和LEO衛星之間微波測量技術。

ACCURATE的科學任務為研究對流層上層以及同溫層底層的氣候進程和大氣物理及化學成分，同時監測大氣氣候以及化學成分的變化趨勢，最終建立和改善大氣氣候和化學成分的變化模型等。

ACCURATE計劃采用的紅外激光發射信號，它的短波長為2～2.5μm。這一信號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投射測定法得到。通過微波測量技術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。微波測量采用的信號頻率帶寬為17～23GHz和178～195GHz。目前，ACCURATE計劃測量如下6種溫室氣體：H2O、CO2、CH4、N2O、O3、CO，以及4種同位素：13CO2、C1800、HD0、H1820，測量范圍為對流層上層以及同溫層底層。

ACCURATE的觀測任務由以下3個部分組成：LEO-LEO之間K波段掩星測量；LEO-LEO之間紅外激光掩星測量；GALILEO-LEO之間和GPS-LEO之間掩星測量。

目前，ACCURATE計劃尚處于系統論證階段。

五、 總結與展望

從調研結果來看，目前國際上還沒有一個實際投入正常運行的低軌衛星星間掩星觀測系統。ACE+計劃盡管完成了前期的系統論證工作和系統、設備的仿真，但是由于經費原因，該計劃于2005年暫停。作為ACE+計劃的替代者，ACCURATE計劃目前還僅僅處于系統論證階段。其他計劃JPL公布的情況較少，只是了解到已完成了部分前期技術指標論證且研制出單機有效載荷，地面及飛機飛行驗證也已經有了明確的時間表。

經調研分析可知，國外LEO-LEO掩星觀測系統的技術發展趨勢：

1）多頻點微波兼容紅外激光掩星探測；

2）高增益、高穩定性相位中心天線；

3）數據融合與同化技術，準實時數據反演系統。