【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)略地位及獨特的軍事應用價值。臨近空間范圍內(nèi)也有包括大氣溫度、密度以及風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用迫切需要相應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)星遙感探測技術與空基氣象火箭落球探測技術的研究現(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)處理關鍵技術等四個方面的問題。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。首先利用高分辨率無線電探空資料驗證了兩種衛(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)計算COSMIC觀測數(shù)據(jù)與SABER觀測數(shù)據(jù)的溫度誤差矩陣,計算結(jié)果表明,COSMIC溫度標準誤差隨著高度的增加而增加,在低平流層的溫度標準誤差約為0.5 K,在40 km時它們大多大于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,其溫度標準誤差大部分在0~3.5 K之間,在40km處溫度標準誤差小于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,標準偏差在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),標準偏差在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)點和COSMIC觀測數(shù)據(jù)在15 km~30 km范圍內(nèi)的高精度優(yōu)點,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)驗模式和NeQuick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系密切。利用該模型驗證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上加入新項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、緯度、高度和太陽活動水平的變化特性來改進此電離層修正方法,模擬結(jié)果表明改進后的彎曲角電離層修正方法能更好的消除電離層殘差,當新的κ值被應用于彎曲角電離層修正時,在白天時間、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)處理中的關鍵技術進行研究,包括空氣阻力系數(shù)的計算方法以及大氣溫度的計算方法,探討了由大氣密度廓線反演大氣溫度廓線的計算方法并統(tǒng)計分析了其中的系統(tǒng)誤差;然后基于落球探測基本原理、空氣阻力系數(shù)計算方法與大氣溫度計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數(shù)據(jù)驗證了該大氣參數(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,通過飛行試驗數(shù)據(jù)反演獲得的風場數(shù)據(jù)較為準確,而由于阻力系數(shù)的不確定性,大氣密度與大氣溫度計算結(jié)果均存在一定的誤差。
【學位授予單位】：國防科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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)的個例比較與統(tǒng)計對比下面在圖 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