卫星为什么在高层有大气层的卫星

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-12-12 06:43 标签： 有大气层的卫星

我们通常将距离地表90km以上的高空大气称为高层大气，在这个高度以上，大气密度随着高度的增加急剧下降，到200km高度时，大气密度已经约为地面的五亿分之一!

我们通常将距离地表90km以上的高空大气称为高层大气，在这个高度以上，大气密度随着高度的增加急剧下降，到200km高度时，大气密度已经约为地面的五亿分之一!尽管那里的大气密度已经如此稀薄，但卫星高速地绕地球运行(约7.9km/s)，所受到的大气阻力仍然不可小视。就像当我们在公路上骑行，经常因来自空气的阻力感到吃力一样，卫星也会因为大气阻力的影响而慢慢感到“劳累”从而发生轨道衰减。现有的科学技术已经可以非常准确地模拟出除大气阻力之外卫星所受的各种扰动力，包括地球非球形扰动、日月扰动和辐射光压扰动等，因此大气阻力产生的扰动已经成为卫星定轨和预报的最大误差来源。为了计算出卫星受到的大气阻力，需要尽可能准确地知道那里的大气密度到底是多少。那么如何测量出那里的大气密度呢?下面本文列举出目前几种常见的测量方法。

星载加速仪数据具有精度高、分辨率高的特点。通过表1可以看出CHAMP加速仪精度达10-9m/s2，GRACE卫星精度更是达到10-10m/s2，换算成大气密度，精度可达10-15~10-14kg/m3。而在CHAMP和GRACE的高度，大气密度量级约为10-13~10-11kg/m3。因此通过加速仪数据可以较为准确地测量出卫星轨道处的大气密度。

从表1中我们能够发现目前的高精度加速仪大部分都是法国生产的，遗憾的是，我国目前尚不具备生产如此高精度加速仪的能力。我国航天工程中的加速度计多用于载体的微重力测量系统和高精度惯导系统中，也可用于高精度的静态角度测量系统中，将加速度用于大气反演方面尚无工程先例。如图5是国内工业级的用于惯导方面的加速度计，其分辨率量级约为10-6m/s2。

与加速仪原理类似的一种仪器是“阻力平衡仪”，它由弹簧系统取代静电系统，通过弹簧位移得到阻力，进而得到大气密度。该方法最初由意大利罗马大学率先提出，主要搭载于微小卫星平台。该方法曾为MSIS90模式的建立提供了阻力平衡器数据。

利用卫星轨道数据反演大气密度也是测量大气密度的一项重要来源，许多已知的半经验大气模型都是以这种方法计算得到的大气密度作为数据基础而建立的，如Jacchia和CIRA系列模型。其基本原理(图7)是：卫星在大气阻力的作用下会偏离预定轨道，利用轨道参数的变化与大气密度的关系即可反演出大气密度。

近十几年出现了利用卫星两行轨道根数(TLE)反演大气密度的方法。顾名思义，TLE数据是由两行轨道根数组成的，包含了卫星的编号、时间和六个轨道参数(轨道倾角、偏心率、每日绕行圈数、升交点赤经、近地点角距、平近点角)等信息。TLE数据从上世纪50年代起就开始记录，截止2017年6月底，在编目标已达42000多个，共累计数据1亿多组，因此TLE数据具有良好的空间覆盖率和时空连续性，这为大气密度的反演和研究大气密度的长期变化趋势提供了宝贵的数据来源。

TLE中的每日绕行圈数可以提供轨道衰减信息。卫星在大气阻力的作用下轨道逐渐衰减，导致每日绕行圈数逐渐增加，利用这一参数，并结合其他各项轨道参数与大气密度的关系即可计算出卫星轨道处的大气密度。

由于每颗卫星每天只记录有限的几组TLE数据，因此TLE的时间分辨率并不理想，针对这一问题，近几年又出现了利用卫星高精度GPS数据反演大气密度的方法，该方法原理与TLE类似，但由于GPS数据记录频率高，因此具有非常高的时间分辨率。该方法的缺点是对GPS数据的质量要求非常高，需要GPS精度达到厘米量级，而目前达到这一要求的卫星数据非常少，因此所能反演的大气密度十分有限。

以上是目前测量大气密度的几种常见方法，所得大气密度即可用来建立新的密度模型，又可对已有的模型进行修正。在实际应用过程中，卫星定轨和预报大部分是用大气模型来模拟大气密度的影响，而现有的模型普遍存在15%以上的误差，因此如何测量出更加准确的大气密度仍然任重而道远。

卫星“伦琴”预计在今日凌晨２点至晚上８点间坠落地球。

综合外国媒体报道，德国报废的人造卫星“伦琴”预计将于北京时间２３日凌晨２点至晚上８点间坠落地球。

日本文部科学省２２日上午发布的消息说，届时可能有３０块总重约１．７吨的碎片无法燃烧殆尽而坠落地表。其中最重的残骸可达４００公斤，这约为９月２４日坠落的美国高层大气研究卫星ＵＡＲＳ最大碎片的３倍。

根据德国方面公布的卫星轨迹，文部科学省测出这颗卫星将会从日本时间２３日凌晨３时至９时之间，四次飞越日本列岛上空。

“伦琴”卫星是德国、美国、英国联合研制的一颗Ｘ射线天文卫星，为纪念发现Ｘ射线的德国物理学家伦琴而命名。这颗重达２．４吨、装备有当时先进的Ｘ射线望远镜的卫星于１９９０年６月１日在美国卡纳维拉尔角发射升空，最初的设计任务为期１８个月，实际上最终运行了超过８年。它对天文学的主要贡献是，完全了Ｘ射线和极紫外波段的全天扫描，让天文学家对相对高能的电磁波段的天空有了一个完整的认识。大约在１９９９年后“伦琴”完成观测使命，失去动力后围绕地球轨道旋转，并不断降低高度。

对于残骸是否会击中人类，德国航天官员沃纳尔说，这种可能性非常小。（钟欣）

历史上曾经坠落地球的卫星或空间站

美国“高层大气研究卫星”（UARS）

UARS重6.5吨，长10.7米，宽4.5米，造价7.5亿美元。1991年9月，美国“发现”号航天飞机上的宇航员用机械臂将UARS送入轨道。卫星连续14年向地面发回了宝贵数据。今年9月23日，它失去控制坠落地球，大部分在进入大气层时烧毁，经NASA确认，有26块碎片最终在一处远离大陆的南太平洋地区坠海，未造成人员和财产损失。

前苏联“宇宙-954”号卫星

重3.8吨的“宇宙-954”号于1977年9月发射升空，主要功能是监视美国核动力潜艇的去向。

“宇宙-954”号本身也是由核动力驱动，由于其内部的核反应堆出现问题，卫星于1978年1月24日坠入大气层，当时引起了全球的关注。“宇宙-954”号最终坠落在加拿大东北部，其放射性的残骸散布在加拿大的广大区域。

美国“哥伦比亚”号航天飞机

2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机在即将返回地面前的十几分钟与地面控制中心失去联系，在得克萨斯州东北部的高空中解体后坠毁。当时NASA在得克萨斯州和路易斯安那州划出了一块250多公里长、60多公里宽的禁飞区，以搜索航天飞机的残骸。

前苏联“礼炮-7”号空间站

1982年4月19日，“礼炮-7”号发射升空，在太空呆了9年。“礼炮-7”号16米长，4.15米宽，重量为22吨。1991年2月7日，22吨的非载人飞船“宇宙-1686”号成功与“礼炮-7”号对接。前苏联工程师试图控制这两个连在一块的人造天体坠入大西洋，但却失败了，它们最终坠落在阿根廷，当地居民目睹了发光的碎片划过天际的景象，所幸无人受伤。

美国“飞马座2”号卫星

1965年，NASA发射重11.6吨的“飞马座2”号卫星，目的是观测在地球低轨道运行的众多微小流星。“飞马座2”号辛勤工作了3年后退役，11年后，它的运行轨道越来越低，最后在失控的状态下于1979年11月3日坠入大西洋中部。

美国“太空实验室计划”（Skylab）空间站

1973年由NASA发射升空，这是一个85吨重的空间站。1979年7月12日，Skylab提前“寿终正寝”，在南印度洋上空坠入大气层。当时，NASA已经无法控制整个Skylab的下坠。Skylab的残骸遍布澳大利亚西部方圆280英里的地区和海域。

米尔空间站是重返地球大气层的最大航天器，它于2001年3月23日脱离轨道。不同于其它坠落地面的航天器，米尔空间站是在完全控制状态下进入地球大气层的，最终米尔空间站坠入太平洋。

俄罗斯米尔空间站是由几个圆柱形模块组成，年先后发射模块并组装集成空间站。至2001年米尔空间站的重量已达到135吨，在太空轨道服役已有15年。

该空间站有6个校园巴士大小，服役期间只有两个时期没有宇航员驻守，在1999年8月之前持续有宇航员驻守。米尔空间站重返地球大气层最终坠落在纳迪、斐济及南太平洋海域。（综合广州日报、腾讯科技、深圳特区报）

本文来源：光明网 责任编辑： 王晓易_NE0011

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