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1、 空间天文测量与地球动力学 2用G P S无线电掩星技术实现区域 地球大气监测的L E O卫星轨道设计 J了2 、了 黄城黄栋 ( 中国科学院上海天文台 严豪健 上海2 0 0 0 3 0 ) 无线电掩星技术在6 0 年代由J P L提出， 并由斯坦福大学应用于行星大气和电离层研究。8 0年代末， Y u n c k 提出了用地球低轨道卫星( L E O 接收G P S无线电信号来监测地球大气的方法。1 9 9 5 年 4月 3口， 一颠小卫星 M ic r o l a b l 成功发 射。当 掩星 发生时( 即G P S 信号 开始穿过地球大气) ， 在这颗地球低 轨道卫星上的G P S 接
2、收机 可以探测到信号延迟， 在地面附近这个延迟达到了1 公里左右。 通过这些掩星资料， 可以提供全天候的大气折射 率剖面图。大气折射率是气压、 温度和水汽的函数， 因而在数值天气预报中非常有用 掩星发生地点的分布是由G P S / L E O空间轨道决定的。 M i c r o l a b l 每夭可以提供9 ,.1 5 0 0 个有效掩星资料。 但 是掩星地点分布是没有重复性的. 如果我们实现一系列掩星事件， 使之发生于一个小的 地球表面区域之中，从而 实现对局部地区气候变化的长期研究， 将是非常有意义的。另外如果在这个区域中加 t无线电探空资料和地面 GP S资料， 将可以实现这些资料和掩
3、星资料的长时间的比较和交叉验证。 L E 。卫星作为一顺地球低轨道卫星， 它受到的摄动力( 主要是地球形状摄动) 大大超过GP S卫星。 由于掩星 事件的空间位置是由L E O卫星和GP S卫星共同决定的， 我们可以调准 L E O P星钓轨道倾角接近 9 0 “以使 L E O轨道平面接近空间不变平面.为实现掩星事件的可重复性, G P S卫星的轨道周期与L E O卫星的轨道周期 之比应接近一个正整数， 为此需要调准 L E O卫星的轨道半长径其它各种摄动造成的L E O卫星位置在轨道平 面内的变化也需要通过调整 L E O卫星的轨道半长径来削弱。 对子G P S卫星， 由于轨道倾角不是9
4、0 0 , G P S轨道面在惯性系中有进动现象， 即它不是不变平面。进而带来 掩星位置在空间的变化。 一个解决办法是选定L E O卫星的轨道倾角约为8 9 0 7 , 使1 . E 0卫星的轨道进动与G P S 卫星保持一致， 这样在一个掩星周期后， 掩星事件的空间位置也进动了大致相同的角度。 在这种GP S / L E O的几 何构型下， 一个掩星周期约等于两个GP S的交点周期 对于不同的G P S卫星， 这个文点周期与半个恒星日( 即地 球自转周期) 可能有几秒的差别。相邻两个掩星事件在空间惯性系中的位置变化， 当转换到地固参考系时， 可能 通过掩星周期与地球自转周期之差得到消除。事实上， 目前的G P S星座中确实存在几颗卫星. 它们的交点周期 可以较好地符合我们的要求. 我们设计了一个程序， 可对地球表面上任何一个点， 选择一顺GP S卫星， 并计算一个 L E O卫星轨道， 使掩 星点保持在这个地点附近2 0 0 天左右。 而其它摄动如N体摄动， 太阳辐射压和地球形状摄动的高阶效应等， 我们 可以通过理论分析( 仅考虑J e 项) 得到 L E O卫星的初始轨道， 再对它的轨道参数进行搜索 以得到在真实摄动 模型下的符合我们设计要求的L E O卫星轨道 3 7 5 林 二 . 篇动吨
