一种全球临近空间大气密度建模方法及应用
发布时间：2021-07-25 21:46
基于TIMED/SABER卫星2002—2018年观测的20～100 km大气密度数据,统计获得多年月平均值和标准偏差的全球网格数据。利用网格数据,分析了大气密度的变化特征。以网格数据为基准,计算了USSA76的相对偏差,分析了USSA76相对偏差的分布特征。以网格数据为驱动,将大气密度表征为平均值与大尺度扰动量和小尺度扰动量的加和,大尺度扰动和小尺度扰动分别采用余弦函数和一阶自回归模型表征,初步建立了全球临近空间大气密度模型。通过对比模型仿真值与激光雷达观测值,表明模型仿真值与观测值具有较好的吻合度,验证了建模方法的可行性。利用蒙特卡罗方法可再现给定轨迹上所有可能的大气状态。
【文章来源】：北京航空航天大学学报. 2020,46(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
1月份和7月份USSA76相对于TIMED/SABER
图1给出了1月份和7月份120°E大气密度多年月平均统计结果相对于年平均密度的变化量,可以看出大气密度在南北半球不同的分布特征。在1月份90 km以下,大气密度呈现出从南半球向北半球逐渐递减的趋势。在南半球,大气密度在高纬地区约82°S 80 km高度处存在大气密度的极大值,最大值高于年平均值的74.8%。在北半球,大气密度在中高纬地区80 km附近存在大气密度的极小值,大气密度低于年平均值的36.9%。在90 km以上,大气密度呈现出从低纬地区向两极地区递减的趋势。7月份的变化规律与1月份的相反。在90 km以下,大气密度从北半球高纬地区逐渐向南半球高纬地区递减。在北半球高纬地区约80 km高度存在大气密度的极大值,最大值高于年平均值的77.9%,在南半球高纬地区存在大气密度的极小值,最小值低于年平均值的54.3%。在90 km以上,大气密度也呈现出从低纬地区向高纬地区递减的趋势。图2给出了1月份和7月份120°E大气密度多年月平均扰动量相对于年平均密度值的变化。可以看出,在1月份,大气密度的相对扰动量在80 km以下,北半球中高纬地区大气密度的扰动量较大,尤其在高纬地区,大气密度相对扰动量在平流层顶附近(～45 km)存在极大值,最大值为17.9%。在低纬地区和南半球中高纬地区,60 km以下,大气密度相对扰动量较小,基本在4%以内。在60～80 km,大气密度相对扰动量随高度逐渐增大,因为大气潮汐波的贡献逐渐显著。在80 km以上,从南半球到北半球大气密度的扰动均较强,相对扰动的最大值可达19.9%,在相同高度层,南半球的大气密度扰动量高于北半球。在7月份,大气密度扰动量随纬度和高度的变化规律与1月份相反。在80 km以下,南半球中高纬地区大气密度扰动较大,最大值为15.0%。在20～60 km,低纬地区和北半球中高纬地区,大气密度扰动较小。在60～80 km,大气密度扰动量随高度逐渐增强。在80 km以上,大气密度扰动在南北半球均较强。在同一高度层,北半球的大气密度扰动量高于南半球。从1月份和7月份大气密度扰动的变化规律可以看出,在80 km以下,冬季半球的中高纬地区大气密度扰动较大。在80 km以上,夏季半球的大气密度扰动量高于冬季半球。
图2给出了1月份和7月份120°E大气密度多年月平均扰动量相对于年平均密度值的变化。可以看出,在1月份,大气密度的相对扰动量在80 km以下,北半球中高纬地区大气密度的扰动量较大,尤其在高纬地区,大气密度相对扰动量在平流层顶附近(～45 km)存在极大值,最大值为17.9%。在低纬地区和南半球中高纬地区,60 km以下,大气密度相对扰动量较小,基本在4%以内。在60～80 km,大气密度相对扰动量随高度逐渐增大,因为大气潮汐波的贡献逐渐显著。在80 km以上,从南半球到北半球大气密度的扰动均较强,相对扰动的最大值可达19.9%,在相同高度层,南半球的大气密度扰动量高于北半球。在7月份,大气密度扰动量随纬度和高度的变化规律与1月份相反。在80 km以下,南半球中高纬地区大气密度扰动较大,最大值为15.0%。在20～60 km,低纬地区和北半球中高纬地区,大气密度扰动较小。在60～80 km,大气密度扰动量随高度逐渐增强。在80 km以上,大气密度扰动在南北半球均较强。在同一高度层,北半球的大气密度扰动量高于南半球。从1月份和7月份大气密度扰动的变化规律可以看出,在80 km以下,冬季半球的中高纬地区大气密度扰动较大。在80 km以上,夏季半球的大气密度扰动量高于冬季半球。美国标准大气模型(USSA76)是飞行器设计和仿真常用的模型,USSA76模型与观测数据之间的差异是实际应用中非常关心的问题。利用大气密度网格化数据,对USSA76模型相对SABER大气密度随纬度和高度的偏差进行了评估,结果如图3所示。在1月份,90 km以下,从北半球到南半球USSA76大气密度的相对偏差从正偏差逐渐向负偏差过渡。在北半球,高纬地区80 km附近存在正相对偏差的极大值,约为76.7%。在南半球,高纬地区80 km附近存在负相对偏差的极大值,约为38.5%。在90 km以上,USSA76大气密度的相对偏差均为正偏差,且高纬地区的偏差高于低纬地区。在7月份90 km以下,从南半球到北半球,USSA76大气密度的相对偏差从正偏差逐渐向负偏差转变。在南半球高纬地区存在正相对偏差的极大值,为132.2%,在北半球高纬地区80 km附近存在负相对偏差的极大值,为36.1%。在90 km以上,USSA76大气密度相对偏差为正偏差。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种区域参考大气密度的建模与应用方法[J]. 刘一博,沈作军,张向宇. 北京航空航天大学学报. 2019(10)
[2]近空间高超声速飞行器气动特性研究的若干关键问题[J]. 叶友达,张涵信,蒋勤学,张现峰. 力学学报. 2018(06)
[3]基于TIMED/SABER卫星温度数据对大气经验模型的评估[J]. 程旋,肖存英,胡雄,杨钧烽. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(10)
[4]北半球高空大气参数波动对临近空间飞行热环境的影响[J]. 陈闽慷,杜涛,胡雄,肖存英,余梦伦,田继超,汤国建. 科学通报. 2017(13)
[5]临近空间38°N大气密度特性及建模技术[J]. 肖存英,胡雄,杨钧烽,闫召爱,刘涛,程旋. 北京航空航天大学学报. 2017(09)
[6]临近空间大气扰动变化特性的定量研究[J]. 肖存英,胡雄,王博,杨钧烽. 地球物理学报. 2016(04)
[7]100km附近大气密度模型的误差带和置信度[J]. 万田,刘洪伟,樊菁. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(12)
[8]COSMIC大气掩星与SABER/TIMED探测温度数据比较[J]. 宫晓艳,胡雄,吴小成,肖存英. 地球物理学报. 2013(07)
[9]靶区大气环境对再入体落点精度影响仿真研究[J]. 黄华,徐幼平,邓志武. 系统仿真学报. 2009(13)
[10]基于扰动大气模型的乘波构型飞行器再入弹道仿真[J]. 李健,侯中喜,刘新建,周伯昭. 系统仿真学报. 2007(14)
本文编号：3302839
【文章来源】：北京航空航天大学学报. 2020,46(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
1月份和7月份USSA76相对于TIMED/SABER
图1给出了1月份和7月份120°E大气密度多年月平均统计结果相对于年平均密度的变化量,可以看出大气密度在南北半球不同的分布特征。在1月份90 km以下,大气密度呈现出从南半球向北半球逐渐递减的趋势。在南半球,大气密度在高纬地区约82°S 80 km高度处存在大气密度的极大值,最大值高于年平均值的74.8%。在北半球,大气密度在中高纬地区80 km附近存在大气密度的极小值,大气密度低于年平均值的36.9%。在90 km以上,大气密度呈现出从低纬地区向两极地区递减的趋势。7月份的变化规律与1月份的相反。在90 km以下,大气密度从北半球高纬地区逐渐向南半球高纬地区递减。在北半球高纬地区约80 km高度存在大气密度的极大值,最大值高于年平均值的77.9%,在南半球高纬地区存在大气密度的极小值,最小值低于年平均值的54.3%。在90 km以上,大气密度也呈现出从低纬地区向高纬地区递减的趋势。图2给出了1月份和7月份120°E大气密度多年月平均扰动量相对于年平均密度值的变化。可以看出,在1月份,大气密度的相对扰动量在80 km以下,北半球中高纬地区大气密度的扰动量较大,尤其在高纬地区,大气密度相对扰动量在平流层顶附近(～45 km)存在极大值,最大值为17.9%。在低纬地区和南半球中高纬地区,60 km以下,大气密度相对扰动量较小,基本在4%以内。在60～80 km,大气密度相对扰动量随高度逐渐增大,因为大气潮汐波的贡献逐渐显著。在80 km以上,从南半球到北半球大气密度的扰动均较强,相对扰动的最大值可达19.9%,在相同高度层,南半球的大气密度扰动量高于北半球。在7月份,大气密度扰动量随纬度和高度的变化规律与1月份相反。在80 km以下,南半球中高纬地区大气密度扰动较大,最大值为15.0%。在20～60 km,低纬地区和北半球中高纬地区,大气密度扰动较小。在60～80 km,大气密度扰动量随高度逐渐增强。在80 km以上,大气密度扰动在南北半球均较强。在同一高度层,北半球的大气密度扰动量高于南半球。从1月份和7月份大气密度扰动的变化规律可以看出,在80 km以下,冬季半球的中高纬地区大气密度扰动较大。在80 km以上,夏季半球的大气密度扰动量高于冬季半球。
图2给出了1月份和7月份120°E大气密度多年月平均扰动量相对于年平均密度值的变化。可以看出,在1月份,大气密度的相对扰动量在80 km以下,北半球中高纬地区大气密度的扰动量较大,尤其在高纬地区,大气密度相对扰动量在平流层顶附近(～45 km)存在极大值,最大值为17.9%。在低纬地区和南半球中高纬地区,60 km以下,大气密度相对扰动量较小,基本在4%以内。在60～80 km,大气密度相对扰动量随高度逐渐增大,因为大气潮汐波的贡献逐渐显著。在80 km以上,从南半球到北半球大气密度的扰动均较强,相对扰动的最大值可达19.9%,在相同高度层,南半球的大气密度扰动量高于北半球。在7月份,大气密度扰动量随纬度和高度的变化规律与1月份相反。在80 km以下,南半球中高纬地区大气密度扰动较大,最大值为15.0%。在20～60 km,低纬地区和北半球中高纬地区,大气密度扰动较小。在60～80 km,大气密度扰动量随高度逐渐增强。在80 km以上,大气密度扰动在南北半球均较强。在同一高度层,北半球的大气密度扰动量高于南半球。从1月份和7月份大气密度扰动的变化规律可以看出,在80 km以下,冬季半球的中高纬地区大气密度扰动较大。在80 km以上,夏季半球的大气密度扰动量高于冬季半球。美国标准大气模型(USSA76)是飞行器设计和仿真常用的模型,USSA76模型与观测数据之间的差异是实际应用中非常关心的问题。利用大气密度网格化数据,对USSA76模型相对SABER大气密度随纬度和高度的偏差进行了评估,结果如图3所示。在1月份,90 km以下,从北半球到南半球USSA76大气密度的相对偏差从正偏差逐渐向负偏差过渡。在北半球,高纬地区80 km附近存在正相对偏差的极大值,约为76.7%。在南半球,高纬地区80 km附近存在负相对偏差的极大值,约为38.5%。在90 km以上,USSA76大气密度的相对偏差均为正偏差,且高纬地区的偏差高于低纬地区。在7月份90 km以下,从南半球到北半球,USSA76大气密度的相对偏差从正偏差逐渐向负偏差转变。在南半球高纬地区存在正相对偏差的极大值,为132.2%,在北半球高纬地区80 km附近存在负相对偏差的极大值,为36.1%。在90 km以上,USSA76大气密度相对偏差为正偏差。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种区域参考大气密度的建模与应用方法[J]. 刘一博,沈作军,张向宇. 北京航空航天大学学报. 2019(10)
[2]近空间高超声速飞行器气动特性研究的若干关键问题[J]. 叶友达,张涵信,蒋勤学,张现峰. 力学学报. 2018(06)
[3]基于TIMED/SABER卫星温度数据对大气经验模型的评估[J]. 程旋,肖存英,胡雄,杨钧烽. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(10)
[4]北半球高空大气参数波动对临近空间飞行热环境的影响[J]. 陈闽慷,杜涛,胡雄,肖存英,余梦伦,田继超,汤国建. 科学通报. 2017(13)
[5]临近空间38°N大气密度特性及建模技术[J]. 肖存英,胡雄,杨钧烽,闫召爱,刘涛,程旋. 北京航空航天大学学报. 2017(09)
[6]临近空间大气扰动变化特性的定量研究[J]. 肖存英,胡雄,王博,杨钧烽. 地球物理学报. 2016(04)
[7]100km附近大气密度模型的误差带和置信度[J]. 万田,刘洪伟,樊菁. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(12)
[8]COSMIC大气掩星与SABER/TIMED探测温度数据比较[J]. 宫晓艳,胡雄,吴小成,肖存英. 地球物理学报. 2013(07)
[9]靶区大气环境对再入体落点精度影响仿真研究[J]. 黄华,徐幼平,邓志武. 系统仿真学报. 2009(13)
[10]基于扰动大气模型的乘波构型飞行器再入弹道仿真[J]. 李健,侯中喜,刘新建,周伯昭. 系统仿真学报. 2007(14)
本文编号：3302839
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