衛(wèi)星阻尼系數(shù)是反演熱層中性大氣密度時不確定性的重要來源，會進(jìn)一步影響對低地球軌道（LEO）航天器大氣阻力的估計(jì)，導(dǎo)致衛(wèi)星定軌和預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性不足。以往的研究通常使用常數(shù) 2.2 作為恒定的阻尼系數(shù)來反演熱層中性大氣密度。然而，由于空間環(huán)境的多變性，阻尼系數(shù)的不確定性會導(dǎo)致大氣密度的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)顯著的系統(tǒng)性差異。在不同的地磁活動和高度下，衛(wèi)星的阻尼系數(shù)可能會有波動。準(zhǔn)確計(jì)算和估計(jì)熱層中性大氣密度和衛(wèi)星阻尼系數(shù)仍然是空間天氣研究中的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。近些年來中國空間站建立和維護(hù)、載人航空航天的發(fā)射和運(yùn)行、巨型星座計(jì)劃的實(shí)施都對航天器的定軌和預(yù)報(bào)提出了更高的要求。

近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特別研究助理王昕（第一作者）和羅冰顯研究員（通訊作者）等與芬蘭奧盧大學(xué)蔡磊教授等人合作提出了一種利用受地磁活動和高度影響的熱層大氣溫度和密度來確定阻尼系數(shù)的新方法，并首次通過空間中心和小衛(wèi)星院共同研制的 “軌道大氣密度探測實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”（簡稱球型衛(wèi)星）的數(shù)據(jù)計(jì)算和分析阻尼系數(shù)在磁暴期間的響應(yīng)。

圖1.空間中心和小衛(wèi)星院共同研制的 “軌道大氣密度探測實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”（簡稱球型衛(wèi)星）

研究結(jié)果表明，阻尼系數(shù)可以通過熱層大氣溫度和密度來估算，而大氣溫度和密度與地磁活動和高度有關(guān)。在約 510 千米的高度，阻尼系數(shù)被調(diào)整到約 2.425，而不是恒定值 2.2。此外，由于地磁活動的增強(qiáng)（如地磁暴）會提高熱大氣層密度和溫度，阻尼系數(shù)可能會降低。在推導(dǎo)彈道系數(shù)時，研究結(jié)果估計(jì)的阻尼系數(shù)可以減小彈道系數(shù)計(jì)算時的誤差。同樣，使用估計(jì)的阻尼系數(shù)可以準(zhǔn)確地反演球型衛(wèi)星周圍的熱層中性大氣密度，反演結(jié)果與 Swarm-B 衛(wèi)星的大氣密度相吻合。

該研究加深了我們對不同空間天氣條件下阻尼系數(shù)對熱層大氣劇烈變化響應(yīng)的理解，并提出了一種新的估算阻尼系數(shù)的方法，在計(jì)算熱層中性大氣密度、衛(wèi)星定軌和預(yù)報(bào)等空間工程具有重要應(yīng)用價值。相關(guān)工作發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Space Weather上。

文章信息及鏈接：Wang, X.*, Ren, T., Wang, R., Luo, B.*, Aa, E., Cai, L., et al. (2024). Estimates of spherical satellite drag coefficients in the upper thermosphere during different geomagnetic conditions. Space Weather, 22, e2024SW003974. https://doi.org/10.1029/2024SW003974

圖 2. 使用 2023 年 2 月 1 日至 2023 年 6 月 30 日 TLE 數(shù)據(jù)得出的球型衛(wèi)星彈道系數(shù)。三顆參考衛(wèi)星（a）NORAD 25978、（b）NORAD 28221和（c）NORAD 25560衛(wèi)星用于推導(dǎo)球型衛(wèi)星的彈道系數(shù)。

圖 3. 2022 年 8 月 16 日至 2022 年 8 月 19 日期間球型衛(wèi)星和 Swarm-B 衛(wèi)星反演的大氣密度。(a) SYM/H 指數(shù)，(b) 利用恒定阻尼系數(shù) 2.2 （藍(lán)線）和估算的阻尼系數(shù)（紅線）得出的球型衛(wèi)星TLE 大氣密度，(c) 球型衛(wèi)星POD 得出的密度，(d) Swarm-B的大氣密度。

（供稿：天氣室）