發(fā)布時(shí)間：2020-08-13 13:27

【摘要】：臨近空間位于航空器飛行高度與軌道飛行器飛行高度之間,是空天一體化作戰(zhàn)不可或缺的中間平臺,具有重要的戰(zhàn)略地位及獨(dú)特的軍事應(yīng)用價(jià)值。臨近空間范圍內(nèi)也有包括大氣溫度、密度以及風(fēng)場的天氣尺度的顯著變化,這些變化對平流層飛艇、高超聲速飛行器等臨近空間飛行器的飛行有著非常重要的影響,因此臨近空間飛行器的研制與應(yīng)用迫切需要相應(yīng)的臨近空間氣象保障。臨近空間大氣環(huán)境探測資料的分析應(yīng)用是臨近空間氣象保障體系的重要組成部分,本文針對臨近空間天基衛(wèi)星遙感探測技術(shù)與空基氣象火箭落球探測技術(shù)的研究現(xiàn)狀及存在的問題,主要研究了衛(wèi)星遙感資料誤差特征、多源衛(wèi)星遙感資料變分融合、無線電掩星觀測彎曲角電離層殘差修正、氣象火箭落球探測數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)等四個(gè)方面的問題。具體工作概括如下:(1)綜合分析臨近空間內(nèi)SABER衛(wèi)星觀測資料與COSMIC掩星觀測資料的溫度誤差特征,為臨近空間多源衛(wèi)星觀測資料的變分融合提供誤差基礎(chǔ)。首先利用高分辨率無線電探空資料驗(yàn)證了兩種衛(wèi)星觀測資料在32 km以下較高的探測精度。其次對COSMIC觀測數(shù)據(jù)與SABER觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行相互比較,發(fā)現(xiàn)兩種衛(wèi)星的觀測資料的溫度數(shù)據(jù)隨高度的變化特征總體一致,兩者間的溫度偏差存在隨高度、緯度和季節(jié)變化的分布特征。最后結(jié)合兩者之間的溫度偏差與COSMIC掩星折射率誤差數(shù)據(jù)計(jì)算COSMIC觀測數(shù)據(jù)與SABER觀測數(shù)據(jù)的溫度誤差矩陣,計(jì)算結(jié)果表明,COSMIC溫度標(biāo)準(zhǔn)誤差隨著高度的增加而增加,在低平流層的溫度標(biāo)準(zhǔn)誤差約為0.5 K,在40 km時(shí)它們大多大于3.5 K,且最大誤差值約為5.5 K;在平流層SABER的探測精度較高,其溫度標(biāo)準(zhǔn)誤差大部分在0~3.5 K之間,在40km處溫度標(biāo)準(zhǔn)誤差小于1 K。(2)基于克里格插值方法對SABER溫度觀測數(shù)據(jù)和COSMIC溫度觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行變分融合,獲取15 km~40 km高度范圍內(nèi)全球大氣溫度分析場,其中變分融合時(shí)使用的誤差協(xié)方差矩陣來自第三章中兩種衛(wèi)星溫度觀測數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。交叉對比的結(jié)果表明:變分融合后的溫度場在15 km~35 km高度范圍內(nèi)與COSMIC觀測溫度場較為一致,兩者之間的平均溫度偏差在-1 K到1 K之間,標(biāo)準(zhǔn)偏差在3K到4 K之間;而在35 km~40 km高度范圍內(nèi)變分融合后溫度場與SABER溫度場更為一致,兩者之間的平均溫度偏差在0 K~0.5 K范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.8 K~2 K范圍內(nèi)。變分融合后的溫度場很好地綜合了SABER觀測數(shù)據(jù)在40 km附近的高精度優(yōu)點(diǎn)和COSMIC觀測數(shù)據(jù)在15 km~30 km范圍內(nèi)的高精度優(yōu)點(diǎn),兩種衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的融合效果明顯。(3)以NRLMSISE-00大氣經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶蚇eQuick電離層模式為大氣背景,基于Abel積分方程建立模擬掩星彎曲角及其電離層殘差的模型,該模型的仿真測試結(jié)果表明電離層殘差隨高度逐漸增加,并與電離層電子密度廓線關(guān)系密切。利用該模型驗(yàn)證Healy and Culverwell(2015)提出的新電離層修正方法,即在原來的雙頻彎曲角線性組合的基礎(chǔ)上加入新項(xiàng)κ(a)(α_(L1)(a)-α_(L2)(a))~2以削弱電離層殘差;本文通過表征κ值隨地方時(shí)、緯度、高度和太陽活動水平的變化特性來改進(jìn)此電離層修正方法,模擬結(jié)果表明改進(jìn)后的彎曲角電離層修正方法能更好的消除電離層殘差,當(dāng)新的κ值被應(yīng)用于彎曲角電離層修正時(shí),在白天時(shí)間、40°N緯度區(qū)域、太陽活動水平為F_(10.7)=210的條件下,模擬的大氣掩星觀測彎曲角電離層殘差從大約5×10~(-8) rad下降到1×10~(-9) rad。(4)針對氣象火箭落球探測數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,包括空氣阻力系數(shù)的計(jì)算方法以及大氣溫度的計(jì)算方法,探討了由大氣密度廓線反演大氣溫度廓線的計(jì)算方法并統(tǒng)計(jì)分析了其中的系統(tǒng)誤差;然后基于落球探測基本原理、空氣阻力系數(shù)計(jì)算方法與大氣溫度計(jì)算方法建立完整的氣象火箭落球探測大氣參數(shù)反演系統(tǒng),最后用一次飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該大氣參數(shù)反演系統(tǒng),其結(jié)果表明大氣參數(shù)反演系統(tǒng)有效可靠,通過飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)反演獲得的風(fēng)場數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確,而由于阻力系數(shù)的不確定性,大氣密度與大氣溫度計(jì)算結(jié)果均存在一定的誤差。
【學(xué)位授予單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P41;E915
【圖文】：

圖 3.5 中國區(qū)域 COSMIC 和 SABER 的匹配數(shù)據(jù)分布圖3.4.2 COSMIC 數(shù)據(jù)與 SABER 數(shù)據(jù)的個(gè)例比較與統(tǒng)計(jì)對比下面在圖 3.6 給出了 COSMIC 探測數(shù)據(jù)與 SABER 探測數(shù)據(jù)的個(gè)例對比圖，其

匹配數(shù)據(jù)隨緯度分布示意圖

圖 3.14 不同月份 COSMIC 與 SABER 之間平均溫度偏差隨高度、緯度變化的等值線圖（左），以及全球范圍內(nèi)兩種衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的平均溫度偏差廓線（右）（單位為 K）圖3.15和圖3.16分別給出了不同緯度和不同月份COSMIC觀測數(shù)據(jù)和SABER觀測數(shù)據(jù)之間的溫度均方根偏差的分布圖，圖例中的色條顯示出溫度均方根偏差大約在 1 K~6 K 的范圍內(nèi)。顯然，溫度均方根偏差的分布隨緯度和月份而變化。

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本文編號：2792060