太空探索－指定教材

第八章 探索太空的秘密

8.1  探索地球空间（3）

4. GPS无线电掩星探测

GPS是全球定位系统的简称。在导航与定位方面，已经显示出GPS的价值。在太空探索中，GPS已经初露锋芒。

GPS由24颗卫星组成，每颗卫星都不断地发射信号。如果另发射一颗携带GPS信号接收机的低轨卫星，当GPS卫星信号被大气层遮掩时，信号被大气折射，大气密度越高，折射越严重，因此，根据大气折射情况就可以推算出大气压强和密度等参数。这种方法只能测量大约50～60 km高度以内的大气参数，在这个高度以上，由于大气太稀薄，对无线电信号的折射能力太弱，用这种方法得到的大气参数误差太大。

GPS与低轨卫星组合的无线电掩星技术，是在全球迅速发展的高新技术，它具有传统探测方法无法实现的全球覆盖、连续、稳定、时空分辨率高等独特的优点。一旦形成业务能力，可满足实时和接近实时的军事气象和军事空间天气保障的需求。

GPS的24颗卫星分布在6个轨道平面上。每个卫星的轨道是圆形的，倾角约55°，周期约12 h，高度为20 200 km。假设另有一个携带GPS信号接收机的低轨卫星存在，在某一时刻，低轨卫星与GPS卫星的相对位置如图8-7所示。大气层遮掩了GPS卫星(2)的信号，低轨卫星接收的是经过大气层折射的信号。从接收机的角度看，遮掩发生在GPS卫星上升或下降的任何时刻，来自发射机的射线路径穿过地球的大气层的临边。对于24颗GPS卫星来说，每个接近于极轨的、800 km高度的GPS接收机每天可观测到500多次遮掩，且全球分布均匀。所有这些遮掩提供了许多有用的大气层数据。

在几何光学近似中，通过大气层的光线依照斯涅耳定律被折射，因为大气层存在密度梯度，因而具有一定的折射率。大气层总的效应可用弯曲角α、渐进线距离或撞击参数a以及切向半径r来表征，如图8-7所示。在GPS卫星(2)的信号遮掩期间，当通过大气层的射线路径上升或下降时，α随r或a的变化主要取决于大气层折射率的垂直变化。反过来，如果知道了α随r或a的变化规律，就可以计算出折射率的垂直变化，然后根据折射率与大气层温度和密度的关系，确定大气层参数。根据GPS信号在大气层中多普勒频移和卫星位置与速度的知识，可给出α和a值，进而得到大气层参数。图8-7中的GPS卫星(3)信号和地面的GPS卫星(1)信号用来对信号做标定。

5. 卫星星座

卫星星座是确定地球空间三维结构的一种理想形式，特别是由许多卫星组成的卫星星座，在地球空间的各个关键位置都设置卫星，这样可以同时了解整个地球空间的变化，这对于弄清许多悬而未解的重要理论问题是非常重要的。未来发射的卫星星座将比团星2号规模更大。目前纳入计划的有两个星座，一是磁层多尺度探测(Magnetospheric Multi Scale, 简称MMS)星座，另一个是磁层(Magnetospheric Constallation, 简称MC)星座。

(1) MMS星座。MMS星座是由多个飞行器组成的星群，目的是对磁层进行多种空间尺度的三维观测，以对磁层研究中许多争论不休的问题给以满意的解答。这个计划将探测地球磁层边缘区的磁重联、粒子加速和扰动。这三种过程控制了等离子体边界区的能量、质量和动量的流动。在过去40年对磁层的研究中，关于这些基本过程的细节仍然是未知的。这种情况的出现很大程度上是因为过去使用单个卫星进行测量，单个卫星所进行的测量不足以揭示潜在空间等离子体的物理过程。为了克服这一不足，MMS星座将发射5颗轨道半径相同的卫星来探测电磁场、等离子体和高能粒子。这5颗卫星最初的轨道构形是六面体： 三个卫星构成一个平面，另外两个分别位于平面上方和下方。另一个构形是使第5颗卫星位于前4颗卫星构成的四面体内，在大四面体内构成四个小四面体。无论哪种构形，MMS星座都将能够区分时间与空间效应，并能确定等离子体、电磁场、电流结构的三维几何构形。卫星距地面的高度可以改变，这使得卫星群可以观测磁重联、粒子加速和扰动的微观过程，并可以把这些微观过程同大尺度的宏观现象相联系。MMS星座的构形如图8-8所示。

为了能够探测到磁层的所有边界区域，MMS星座计划采用一个特别的有4种构形的轨道。在第一种构形中，远地点在向阳面磁层顶，主要测量白天磁层顶的磁重联、粒子加速和太阳风进入磁层顶的情况。第二种构形的远地点在磁尾，重点测量近地磁尾和亚暴。在第三种构形中，MMS星座将利用月球引力把远地点增加到120RE，以探测远磁尾，并且轨道倾角变为90°。最后一种是高倾角构形，近地点增加到10RE，远地点减少到40RE。MMS星座将在两极间研究日半球磁层顶的磁重联机制。

(2) MC星座。MC星座的目的是确定磁尾的平衡，了解磁尾对太阳风的响应，揭示磁尾的不稳定性，绘制局地和全球过程之间的连接图像。

MC星座由50～100个纳卫星组成，基本测量项目是磁场、等离子体流和能量粒子加速。能在7RＥ～40RE范围内对磁层取样测量，同时进行多点测量。

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