LEO－LEO掩星事件仿真研究

吕华平，严卫，王迎强，2，罗杰，曹广彬，袁凌峰

（1.解放军理工大学 气象海洋学院，南京 211101；2.电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室，南 211101；3.66350部队，内蒙 锡林郭勒盟 011299）

LEO－LEO掩星事件仿真研究

吕华平1，严卫1，王迎强1，2，罗杰1，曹广彬3，袁凌峰1

（1.解放军理工大学 气象海洋学院，南京 211101；2.电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室，南 211101；3.66350部队，内蒙 锡林郭勒盟 011299）

针对LEO－LEO掩星探测可以在不引进外界温度场的情况下，实现湿度和温度的独立反演，并成为未来掩星探测的重要发展领域，该文详细介绍了目前国外主要的LEO－LEO掩星探测计划，通过对LEO－LEO掩星事件的数量及分布进行计算机仿真，分别得出了一天和一个月当中掩星事件发生的数量及在各个经纬度区间的分布情况，并将仿真结果与欧空局的ACCURATE掩星探测计划进行了验证。结果表明：仿真结果与实际情况比较吻合，验证了模型的有效性，可以为国内LEO－LEO掩星探测计划提供一定参考。

LEO－LEO；掩星事件；掩星数量；计算机仿真

1 引 言

全球导航定位系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）无线掩星探测具有全天候、长期稳定、高精度和高垂直分辨率等优点，可以获得地球大气的折射率信息，并可进一步反演得到电离层电子密度、中性大气密度、气压、温度和湿度等信息，在气象、空间以及国防领域具有广泛的应用前景［1］。GNSS－LEO掩星技术反演地球低层大气水汽时存在水汽模糊现象，需要引入其他模式的温度场才能反演出大气水汽廓线。2001年欧洲科学家拓展了GNSS－LEO掩星的定义，提出了LEO－LEO掩星的概念，建议在LEO卫星上分别加装3波段的微波发射机和接收机，利用差分吸收原理独立反演大气水汽廓线 年又提出通过增加LEO－ 红外掩星探测中高层大气成分的建议。

LEO－LEO掩星事件是指两颗低轨卫星（LEO）分别运动到地球的两侧，其中一颗LEO（作为反射卫星，Transmitting Satellite，TS）相对于另一颗LEO（作为接收卫星，Receiving Satellite，RS）从地平线降落或下升的过程，由发射卫星发出微波或红外信号，穿过地球大气到达接收卫星，由于两颗LEO卫星之间的相对运动，发射信号从大气层顶逐渐切过整层地球大气直到地球表面，或者相反，从切过地球表面直到切过大气层顶。信号从发射卫星到达接受卫星的过程中，由于大气的衰减作用，会发生信号幅度和相位的变化，通过选择水汽吸收线峰值附近的微波频段，反演可独立得到水汽资料，而不需要像GNSS－LEO掩星技术一样，需要外部数据才能将湿度和温度分离。

国内对LEO－LEO掩星事件的仿真已经有一定的研究，赵世军等［5］利用射线追踪法模拟了掩星事件，并讨论了LEO卫星的轨道倾角和高度对掩星事件发生的数量和分布的影响，发现当轨道倾角较低时 一天中全球发生的掩星事件集中于低纬地区 徐晓华等［6］分析了对于单颗LEO卫星，掩星事件的分布和数量随着LEO轨道参数包括轨道升交角距、升交点赤经、轨道高度和倾角而变化的规律，发现掩星事件数量与升交角距没有显著的关联；LEO卫星轨道高度对掩星事件的分布没有显著影响，但随着轨道高度的递增，掩星数量逐渐减少；卫星轨道倾角是影响掩星事件沿纬度分布的重要因素。杜晓勇等［7］对LEO－LEO卫星掩星事件的特征进行了深入的讨论，通过仿真计算定量讨论了轨道参数对掩星事件次数及分布的影响，详细分析了发射卫星和接收卫星的轨道高度、倾角、近地点角距、升交点赤经等轨道参量对LEO－LEO掩星事件数量和分布的变化影响。

2 国外主要掩星探测计划介绍

国外LEO－LEO掩星计划主要有以下3个，分别是欧空局的ACE＋和ACCURATE计划以及美国的ATOMMS计划，下表展示了3个探测计划的一些基本情况［8－10］。

探测精度与高度湿度精度0.25g／kg～1g／kg（0km～5km）0.01g／kg～0.25g／kg（5km～15km）探测大气温度、湿度和压强可以探测6种主要温室气体：H2O、CO2、CH4、N2O、O3、CO 1%～3%水汽含量（0km～80km）1%～3%臭氧含量（10km～80km）温度精度 0.5K～2K（0km～35km） 0.5K～2K（5km～35km） 0.4K（0km～80km）

2.1 ACE＋计划

ACE＋计划是欧洲空间局开发的ACE（Atmosphere and Climate Explorer）计划和 WATS（the Water Vapor and temperature in the Troposphere and Stratosphere）计划的合并，是以无线电掩星技术监测地球大气为主要目的的低地球卫星计划。掩星观测计划由4颗小卫星组成，分布在2个轨道平面上。星载GNSS掩星接收机可以分别接收GPS和Galileo导航星座信号，进行GNSS－LEO掩星观测。此外，4颗小卫星中的两颗卫星，携带X和K波段的发射机，另外两颗携带LEO－LEO掩星接收机，发射和接收信号的小卫星反向运行，分别在800km和650km高度轨道，LEO系统之间也进行“LEO 大气互探测计划（Cross－Atmosphere LEOLEO sounder）”，称为CALL掩星，可以测量电波振幅和相位变化，实现独立反演［11－16］，图1为 ACE＋掩星探测示意图。

ACE＋掩星观测系统每天可以观测5000个GNSS－LEO掩星事件，还有约250个LEO－LEO掩星观测事件，从而获得250个对流层温度和水汽剖面［17｀］，其 LEO－LEO掩星事件一天内分布图如图2所示。它将以高精度给出100km～800km电离层密度和0km～60km的大气气象场参数，其CALL探测精度和范围是：在低对流层（0km～5km）湿度

图1 ACE＋掩星探测示意图

精度为0.25g／kg～1g／kg，高对流层（5km～15km）湿度精度为0.025g／kg～0.1g／kg，温度探测范围0km～50km，精度为0.5K～3K。ACE＋系统反演产品包括弯曲角剖面、吸收剖面、折射率剖面以及温压湿剖面等。该计划创新之处在于，它以前所未有的技术和测量精度获得全球大量的电离层和中性大气的气象场资料，特别是可以独立反演大气水汽场和温度场的精确数据。

图2 ACE＋计划一天LEO－LEO掩星事件分布图

2.2 ESA ACCURATE计划

2004年以后，ESA又提出ACCURATE（Atmospheric Climate and Chemistry in the UTLS Region And climate Trends Explorer，上对流层和下平流层区域大气气候和化学以及气候趋势探测）计划，该计划继承了ACE＋，提出集成高稳定度K波段信号LEO－LEO掩星探测、GNSS－LEO掩星探测和红外激光2μm～2.5μm波段掩星探测的方法，概念示意图如图3所示。在5km～35km高度范围内探测和监测气象和大气化学过程。其采用自校准方式同时观测信号多普勒频移和差分透射率廓线，从而获得5km～35km范围内大气温度、湿度和压强，它还可以探测6种主要的温室气体（H2O、CO2、CH4、N2O、O3和CO）、水汽、二氧化碳和它们的同位素 以及探测气溶胶 云层和大气闪烁等

图3 ACCURATE探测计划概念图

ACCURATE计划中，其LEO－LEO无线电掩星探测采用的都是K波段的频率，分别为17.25GHz、20.2GHz和22.6GHz。ACE＋计划中9.7GHz的X波段频率在ACCURATE计划中被取代为20.2GHz。优点是3个频点可以采用1个天线（ACE＋中9.7GHz频率采用一个天线，其他两个频点采用一个天线），从而减少了仪器体积、重量和成本；缺点是由于频率较高，无法探测5km以下大气参数，但这与ACCURATE计划探测高度5km～35km 的目标 相 符［18－22］。此 外，ACCURATE 计 划K波段LEO－LEO无线电掩星探测反演方法采用差分透射率法，在10km以下采用17.25GHz～20.2GHz差分法，这也是增加20.2GHz频率的原因。

2.3 美国的ATOMMS计划

美国NASA的ATOMMS（the Active Temperature，Ozone and Moisture Microwave Spectrometer）计划组合GPS－LEO掩星探测系统和多频率LEO－LEO主动式无线电临边探测 MLS（Microwave Limb Sounder）系统实现近地面到中间层大气水汽、温度和压强探测，以及对流层顶到同温层臭氧含量的高精度高垂直分辨率探测，而且不受云的影响［23－30］。

ATOMMS星座设计为12颗LEO卫星，两个倾角70°的轨道，高度分别为650km和800km，每个轨道分布6颗LEO卫星，一天可以发生1000次以上LEO－LEO掩星事件和6000次～8000次GPSLEO 掩星事件［31－32］。

目前该项目的原理样机已完成，该设备在18GHz到26GHz之间有8个通道，在180GHz和203GHz有两个可调频率的通道，这些通道可以测量水汽和臭氧含量，还可测量对流层顶到低平流层的H218O和N2O含量，该设备还采用13GHz精确测量载波相位 可获得射线弯曲路径和折射率廓线。目前探测设备的地面验证试验已开展，在2011年开展了飞机－飞机的机载验证试验。

3 LEO－LEO掩星事件的仿真

3.1 仿真模型的建立

对掩星事件进行仿真时，首先利用卫星开普勒轨道参数，计算出不同时刻发射卫星、接收卫星的位置和速度，根据两颗卫星的位置和速度信息就可以进一步求出卫星和地球表面的几何关系，包括地心到两颗卫星连线切点距离和切点高度以及两颗卫星之间的相对仰角和方位角。最后根据以下判定条件来判断掩星事件是否发生：

（1）切点高度H满足设定的上限100km、下限0km；

（2）切点在发射卫星和接收卫星连线间；

（3）发射卫星相对于接收卫星的天线可接收方位角A在设定的范围内（前后向掩星天线极限功率波束宽都为40°）。

LEO－LEO掩星事件发生地点和数量和卫星轨道参数有关，包括发射卫星和接收卫星的轨道高度、倾角、升交点赤经、近地点赤经等。为了对LEOLEO掩星事件发生的地点和数量进行仿真模拟，有关参数设置如表2所示，卫星轨道参数的设置参考ACCURATE 掩星探测计划轨道参数［37－38］。

表2 LEO—LEO仿真模型主要指标参数

3.2 仿真结果与分析

模拟结果显示共发生232次掩星事件，其中有118个上升掩星和118个下降掩星。全天掩星事件的分布图如图4所示，其中“Δ”表示上升掩星，“▽”表示下降掩星。

从这次掩星事件模拟结果中可以看出，一天内的LEO－LEO掩星总数为232次，这与欧空局ACCURATE掩星探测系统提出的每天获得对流层温度和水汽剖面250次比较吻合。其中上升掩星和下降掩星的数量都在118次左右，说明在一天的掩星事件中，上升掩星和下降掩星的数量比较持平。表3详细展示了掩星事件在各区间的分布情况。

图4 全天掩星事件分布图

表3 一天中掩星事件在各个经纬度区间的数量分布情况

图5展示的是掩星事件发生区域和数量的统计情况，横坐标为经纬度，纵坐标为掩星事件发生的数量，通过该图可以了解掩星事件在不同经纬度地区的分布情况。

从图中可以看出，一天中LEO－LEO掩星事件的数量在各个经纬度区间分布较均匀，赤道附近掩星数量相对较密集，随着经纬度的增大，各个区间内掩星数量的分布变化不大。在当天的掩星事件中，在北半球，掩星事件发生数量相对较多的区域为

～ 南半球 掩星事件发生数量相对较多的区域为南纬40°S～50°S。从经度范围看，一天中掩星事件发生较多的区域为160°W～140°W、100°E～120°E。由于本次只选取了某一天的掩星事件作为研究的个例，使研究的结果具有一定的偶然性，不能作为所有LEO－LEO掩星事件的分布特点。为了进一步探索LEO－ 掩星事件的分布状况 利用同样的方法对掩星事件进行仿真，为了使仿真结果更具代表性，将模拟时间由一天改为一个月。下图展示的是一个月掩星事件发生区域和数量的统计情况，横坐标表示掩星事件发生的经纬度，纵坐标表示掩星事件发生的数量。

图5 一天中掩星事件发生区域和数量统计情况

图6 一个月中掩星事件发生区域和数量统计情况

在本次仿真实验中，模拟的是一个月内的掩星事件，一共有6971次掩星事件发生。从掩星事件的经纬度分布状况中可以看出，各个经纬度区间内掩星事件的数量相差不大。以纬度范围内为例，100为一步长，各个区间内掩星事件的数量基本维持在400次左右，说明从长时间来看，掩星事件发生地点的分布比较均匀。

4 结束语

本文详细介绍国内有关LEO－LEO掩星仿真研究的基本进展和国外主要的LEO－LEO掩星探测计划，并对LEO－LEO掩星事件的数量和分布进行了系统仿真。首先建立掩星事件的数学模型，通过设定卫星轨道的基本参数，包括卫星轨道高度、倾角、离心率和升交点赤经、近地点角距等，讨论了一天和一个月当中掩星事件的分布和数量情况，并将仿真结果与欧空局ACCURATE掩星探测计划提出的结果进行了比较，验证了模型的准确性与有效性，从而为发展我国自主的LEO－LEO掩星探测计划提供一定的参考。

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Investigation of LEO－LEO Occultation Simulation

LV Hua－ping1，YAN Wei1，WANG Ying－qiang1，2，LUO Jie1，CAO Guang－bin3，YUAN Ling－feng1
（1.InstituteofMeteorologyandOceanography，PLAUniversityofScienceandTechnology，Nanjing211101；2.NationalKeyLaboratoryonElectromagneticEnvironmentalEffectsandElectro－OpticalEngineering，Nanjing211101；3.No.66350ArmyofPLA，XiLinGuolemeng011299）

LEO－LEO occultation detection will be a significant region in the future，which can measure temperature independently from water vapor without introducing another temperature source.This paper introduces in detail the major foreign LEO－LEO occultation exploration programs.The number and distribution in longitude and latitude interval of LEO－LEO occultation events occurred in the course of a day and a month are obtained based on simulation.When compared with the real results obtained from the satellite mission ACCURATE which was proposed by the European Space Agency，the simulation results coincide very well，which show that the system simulation model is valid and can be served as a reference for domestic LEO－LEO occultation detection plan.

LEO－LEO；occultation simulation；number of occultation；computer simulation

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.02.011

P405

A

1000－3177（2015）138－0065－07

2014－03－17

吕华平（1990～），男，硕士，主要从事低轨卫星掩星数据反演大气水汽方法研究。

E－mail：S201205024＠163.com

严卫（1959～），男，教授，博士生导师，主要从事卫星遥感与应用研究。

E－mail：15150678893＠163.com