技术领域
[0001] 本申请属于空间探测领域，具体涉及一种临近空间大气密度三维立体观测方法及系统。
相关背景技术
[0002] 60‑240km临近空间大气密度全球探测对于地球圈层耦合能量传输机制研究，以及空天飞行器的设计、飞行控制等具有极其重要的价值。近年来现有技术已经利用X射线掩星/掩日手段突破了临近空间大气密度层析探测技术。但该技术存在以下缺点：
[0003] 1、在轨探测效率低，每个轨道周期仅有两次观测掩星的机会，有效探测时间仅有几十秒，占轨道周期约1.4%；
[0004] 2、全球覆盖所需时间长，需要靠卫星轨道面的进动实现全纬度的扫描，通常需要数月才可实现全球覆盖；
[0005] 3、X射线源不可控且能量偏低，非太阳耀斑时太阳平静时高能段X射线强度不足，难以满足较低海拔的大气密度探测需求，而太阳耀斑时X射线强度剧烈波动会增大数据的应用难度，而且时间的发生概率低且具有不确定性，难以实现对不同地方时条件的大气密度探测，例如掩日探测切点位置只能覆盖晨昏时刻的大气密度。
具体实施方式
[0045] 下面结合附图对本申请的技术方案进行详细的说明。
[0046] 本发明提供了一种临近空间大气密度三维立体观测方法及系统，基于主动X射线掩星实现，利用共轨的不少于6颗微小卫星形成人造掩星星座，通过卫星主动发射X射线，构成不少于9条X射线掩星路径，利用各条掩星路径的吸收谱反演大气密度。该方法可极大地提高在轨探测效率，可在一天内快速实现60‑240km全球大气密度三维立体监测，并且可以实现对不同地方时条件的大气密度探测。
[0047] 实施例1
[0048] 本发明提供了一种临近空间大气密度三维立体观测方法，具体包括：
[0049] 如图1所示，M,M>=6颗卫星共处一个大倾角近地圆轨道，编为发射组和接收组两组，分别有a颗和b颗卫星（a，b均不小于2），两组卫星相位相差为13°‑ 21°，优选18°，相距1600km ‑ 2500km，优选2200km，在轨构型始终不变。发射组卫星安装X射线准直光源，与接收组的b颗星相互对准；接收组的卫星安装X射线能谱探测器，与发射组a颗星相互对准，形成 条掩星路径，从低到高排列记为 ，调整卫星轨道相位使其均匀分
布在目标探测海拔区域，尤其关注60‑240km。记大气顶的高度为 。发射和接收的能段覆盖X射线波段(0.1‑100keV)，尤其关注0.5‑40keV。将能谱离散化处理，将探测能段分成N份，记其能量为 。N受制于探测器的能量分辨率，取值范围为150 ‑ 250，优选200。
[0050] 如图2所示，大气密度的计算过程包括包括以下步骤：
[0051] 步骤1：处理卫星数据，将各条路径接收到的能谱与发射的能谱相除，得到切点高度为 ，能量为 的X射线实测透射率 。
[0052] 步骤2：利用比尔定律构建以切点高度为H和X射线能量E为自变量的透过率函数：
[0053]
[0054] 其中 为路径上原子数密度与吸收截面乘积的积分：
[0055]
[0056] 其中，s为大气的原子组成成分， 和 分别表示各自的数密度和吸收截面，h表示海拔高度，l表示掩星的路径。
[0057] 在实际计算过程中，需要将大气层分层离散化处理，则：
[0058]
[0059] 其中 表示光线在第k层大气中传播的距离， 表示第k层大气中s成分的数密度， 表示大气密度的修正因子，作为参数参与到大气密度反演计算中。
[0060] 步骤3：i从 到1依次取值，利用切点高度为 的掩星路径透谱对高度范围内的大气密度进行拟合反演。
[0061] 对于每一个i值，调整海拔高度位于 区间内大气密度修正因子 ，使对数泊松似然函数达到最大值，从而得到此区间内的大气密度的最优解。其中对数泊松似然函数的计算方法为：
[0062]
[0063] 其中，为数据点， 为对应数据点的模型计算值；
[0064]
[0065]
[0066] 实施例2
[0067] 本申请还提供一种临近空间大气密度三维立体观测系统，基于上述方法实现，所述系统包括：
[0068] 人造掩星星座，包括不少于M,M>=6颗卫星共处一个大倾角近地圆轨道，编为发射组和接收组两组，分别有a,a>2颗和b,b>2颗卫星；发射组卫星安装X射线准直光源，与接收组的b颗星相互对准；接收组的卫星安装X射线能谱探测器，与发射组a颗星相互对准；
[0069] 计算实测透射率模块，用于处理卫星数据，得到掩星路径切点高度为 ，能量为的X射线实测透射率 ；
[0070] 计算模型计算值模块，用于利用比尔定律构建以切点高度为H和X射线能量E为自变量的透过率函数 ，计算实测透射率对应的模型计算值；和
[0071] 计算大气密度模块，用于由高到低依次求解相邻掩星路径切点高度之间的大气密度。
[0072] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本申请技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。
