掩星技术在卫星编队飞行中的应用

李潇 岳富占 蔡仁澜 （航天恒星科技有限公司）

一、引言

随着科学技术的发展和人类活动不断向高层大气及太空拓展，地球空间大气环境成为当今世界各国科研、军事、航天研究的一大热点领域。在卫星编队飞行任务中利用掩星技术开展地球大气环境的探测活动是一项新兴的气象探测技术。通过在2颗编队飞行的卫星上分别搭载掩星信号发射机和掩星信号接收机，开展地球大气探测，可获取大气温度、密度、压力、水汽含量、大气臭氧成分的探测。

二、掩星技术的发展历程

20世纪60年代，天文学家提出利用掩星技术测定行星大气的方法。20世纪80年代末，国外开始研究一种新的基于GPS卫星无线电信号探测地球大气环境的方法：GPS无线电信号在穿越地球大气层时受到大气折射影响，传播路径发生弯曲，导致用户接收机接收到的信号相位产生延迟，通过测量这些延迟量来获取大气中温度、压力、湿度、电子密度等信息，这种方法被称为无线电掩星测量技术。随着20世纪90年代美国全球定位系统(Global Positioning System, GPS )完成整个GPS星座的组网任务，无线电掩星测量技术作为大气空间环境探测的一种新手段成为现实。

1995年4月3日，美国开展了GPS/MET计划，发射了第一颗用于GPS掩星技术实验的低轨卫星MicroLab1。2年左右的观测结果证实了GPS无线电掩星技术在探测地球空间大气环境领域的可行性和科学意义。随后，丹麦、德国、阿根廷、美国、中国台湾、欧盟等国家和地区也先后发射了Orsted、CHAMP、SAC-C、GRACE、COSMIC、METOP等卫星，开展了GNSS掩星探测地球大气的试验和研究。采用低轨卫星接收GNSS导航卫星信号进行掩星观测可探测全球0～60km大气折射率、密度、温度、压强以及水汽压等气象参量和100～800km电离层电子密度剖面（图1）。

图1 掩星技术原理

随着掩星技术的不断发展，欧洲科学家拓展了GNSS掩星技术的定义，发展出了低轨卫星星间掩星技术（Low Earth Orbit RO，简称LEO-LEO RO），即在2个低轨卫星上分别搭载信号发射机和信号接收机进行掩星观测，并通过事后反演直接获得大气水汽和温度。

相比于传统的大气要素探测方式，低轨卫星星间掩星测量的数据丰富，范围广，测量高度可以覆盖从地球表面到45km的高空。掩星观测的最终产品是大气和电离层折射场、大气气象要素以及大气物理成分等，这些数据对于建立我国气象数值产品模型具有重大意义，可直接服务于我国国民经济建设。

三、掩星技术在卫星编队飞行中的特点

LEO-LEO掩星观测的基本原理：在2颗不同轨道高度运行的低轨卫星之间上分别安装发射和接收机，卫星高度为400～800km。2颗卫星轨道相反方向运行。由发射卫星发出的微波信号，穿过地球大气到达接收卫星，当满足掩星条件时，发射卫星相对于接收卫星从地平线升起或降落。由于LEO卫星的相对运动，信号由大气层顶逐渐切过整个地球大气直到地球表面，或由切过地球表面直到切过大气层顶。发射信号穿越低层大气时，由于水汽的吸收，在接收机处接收到的信号幅值、相位均发生变化。通过测量接收信号的相位变化反演可以得到大气折射率，通过测量接收信号的振幅变化反演可以得到水汽吸收系数，在 获取折射率廓线和水汽吸收系数之后，通过求解一系列的非线性方程可得到大气气象要素：大气压力、大气温度、相对湿度、氧分子含量等。LEO-LEO掩星观测示意图如图2所示。

图2 低轨卫星星间掩星观测示意图

不同于GNSS掩星观测技术，LEO-LEO掩星的发射信号一般选择在X、K(10.9GHz～35GHz)频段，这是由于大气水汽对X、K频段信号有较强的吸收作用，可以独立反演得到大气中水汽信息而不需要借助其他辅助信息。当K频段微波通过大气时，大气对其作用可归纳为吸收和散射两种物理过程。吸收作用的强弱不但与波长有关，还与大气的温度、气压和吸收气体的含量有关。水汽分子在 微波区(1GHz～300GHz)有2条吸收谱线，其中心频率分别为22.235GHz和183.31GHz。当前多数微波遥感是在低于100GHz的频率上工作，所以LEO-LEO掩星信号频点一般选择22.6GHz附近。大气吸收系数随信号频率变化如图3所示。

图3 大气吸收系数随信号频率变化图

四、国外在卫星编队飞行中开展掩星观测的实例

（1）ACE+计划

ACE+是欧洲空间局新世纪的一个重大空间天气计划，是由欧洲的GPS气象学试验计划ACE（Atmosphere and Climate Explorer）和对流层和平流层水汽和温度探测计划WATS（the Water Vapor and temperature in the Troposphere and Stratosphere）合并而成。它是以无线电掩星技术监测地球大气为主要目标的低轨卫星计划，目的是测量100～800km电离层密度和0～60km的大气气象场参数。原计划于2008年发射4颗低轨卫星，进行L波段的GPS/GALILEO和GLONASS多个全球导航定位卫星系统的跟踪观测。同时还用临边探测技术进行恒星紫外和可见光波段吸收研究，研究整个平流层的臭氧层及其密度剖面。同时在系统中各个卫星之间进行“低轨大气互探测计划(Cross Atmosphere LEOLEO Sounder,CALL计划)”。实施低轨大气互探测计划时，4颗低轨卫星中的2颗发射X和K频段的信号，另外2颗接收这些信号。发射和接收信号的低轨卫星成反方向运动，并具有不同的飞行高度。

（2）ACCURATE计划

ACCURATE计划是欧空局ACE+计划的升级版，它的英文全称为Atmospheric Climate and Chemistry in the UTLS Region And climate Trends Explorer，其主要目的是在LEO卫星之间同时测量温室气体含量、同位素、风场和热力学变量等大气气象和成分要素。测量原理结合了LEO卫星之间红外激光测量技术和LEO卫星之间微波测量技术。

ACCURATE的科学任务为研究对流层上层以及同温层底层的气候进程和大气物理及化学成分，同时监测大气气候以及化学成分的变化趋势，最终建立和改善大气气候和化学成分的变化模型等。

ACCURATE计划采用的红外激光发射信号，它的短波长为2～2.5μm。这一信号被大气层中各种微量元素所吸收，这些微量元素的吸收廓线可以用信号投射测定法得到。通过微波测量技术得到的精确已知的温度、压力和湿度廓线信息是微量元素反演的前提。微波测量采用的信号频率带宽为17～23GHz和178～195GHz。目前，ACCURATE计划测量如下6种温室气体：H2O、CO2、CH4、N2O、O3、CO，以及4种同位素：13CO2、C1800、HD0、H1820，测量范围为对流层上层以及同温层底层。

ACCURATE的观测任务由以下3个部分组成：LEO-LEO之间K波段掩星测量；LEO-LEO之间红外激光掩星测量；GALILEO-LEO之间和GPS-LEO之间掩星测量。

目前，ACCURATE计划尚处于系统论证阶段。

五、 总结与展望

从调研结果来看，目前国际上还没有一个实际投入正常运行的低轨卫星星间掩星观测系统。ACE+计划尽管完成了前期的系统论证工作和系统、设备的仿真，但是由于经费原因，该计划于2005年暂停。作为ACE+计划的替代者，ACCURATE计划目前还仅仅处于系统论证阶段。其他计划JPL公布的情况较少，只是了解到已完成了部分前期技术指标论证且研制出单机有效载荷，地面及飞机飞行验证也已经有了明确的时间表。

经调研分析可知，国外LEO-LEO掩星观测系统的技术发展趋势：

1）多频点微波兼容红外激光掩星探测；

2）高增益、高稳定性相位中心天线；

3）数据融合与同化技术，准实时数据反演系统。