临近空间38°N大气密度特性及建模技术

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1、2017年9月第43卷第9期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsSeptember2017V01．43NO．9http：f／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．CFIDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0735临近空间38。N大气密度特性及建模技术肖存英1一，胡雄1，杨钧烽1，闫召爱1’2，刘涛1’2，程旋1’2(1．中国科学院国家空间科学中心，北京100190；2．中围科学院大学，北京10004

2、9)摘要：针对临近空间大气环境复杂时空变化的定量表征和仿真建模，基于11年TIMED／SABER大气密度数据，采用网格划分和数学统计的方法，得到了38oN大气密度在20—100km的气候平均值和标准差。定量结果用于表征和分析了静态缓变气候平均态以及动态瞬变大气扰动态的变化规律，结果表明，38。N大气平均密度随高度、季节、经度变化显著。在此基础上，提出了临近空间大气密度表征为气候平均量和大气扰动量之和的建模方法，并建立了大气随机扰动白回归模型，通过仿真试验及与激光雷达大气密度实测数据的比较，结果表明该建模方法可行。关键词：临近空间；大气密度；飞

3、行器；仿真；建模中图分类号：V419；V219；P35l；P421文献标识码：A文章编号：1001—5965(2017)09—1757439临近空间是指国际民航飞机飞行高度以上、卫星轨道维持高度以下的空间区域，是人类活动的新领域，跨越连续流、滑移流、过渡流及自由分子流⋯。临近空间大气密度要素对低速飞行器(如浮空器、飞艇等)的设计、飞行非常重要旧。1，同时也极大地影响高速飞行器气动力、气动热的计算和辨识、飞行轨道、飞行姿态控制等H⋯。大气密度的高精度估计可为气动力、气动热的正确预测提供重要的数据，对临近空间飞行器的设计和工程应用都具有重要意义忙

4、“。然而，真实大气密度的变化非常复杂，临近空问同时受来自下部的对流层活动以及太阳辐射和宇宙射线的影响，多种影响因素使得临近空间大气密度除了随高度、地理纬度、经度和季节变化的气候特性以外，还存在其他多种时间、空间尺度上的复杂变化。这些变化主要起源于周期为几天到一月的行星波、24h周期及其高阶谐波的潮汐波、几分钟到10多个小时的大气重力波、更短时间尺度的大气湍流以及某些其他具有随机特性因素引起的大气扰动。当前国际上常用的包含临近空间大气密度的经验模式，包括美国标准大气(US76)模式、CIRA系列模式、MSIS系列模式等，可输出大气密度的气候平均

5、值，用于研究大气的气候变化特性。例如，凌超和陈泽宇¨。基于NRLMSISE·oo分析了中国上空过渡流区大气温度和大气密度的月平均状态，但这些模式缺少对大气扰动的表征。美国宇航局／马歇尔空间飞行中心针对飞行器设计使用研发了大气模式GRAM系列，包括了大气气候态和大气扰动态，并随着数据源的逐步完善而不断地升级版本，目前的最新版本是GRAM一2010。俄罗斯科学院应用数学所在早些年制定了偏差大气模型并得到了实际应用。⋯。中国目前飞行器设计可以使用GJB365．1—87』1(等同于国际标准ISO2533--1975)和GJB366．1—87【10。(

6、等同于国际标准ISO5878—1982)，高度范围只到80km。而事实上，真实大收稿15t期：2016-09-13；录用日期：2016—12-09；网络出版时间：2016—12-2012：00网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail／11．2625V20161220．1200．001．html基金项目：国家重点研发计划(2016YFB0501503)+通讯作者：E—mail：xiaoey@nssc．ac．on引用稽式：肖存英，胡雄，杨钧烽，等．临近定问38。Ⅳ大气密度特性及建模技术ⅣJ．北京航空航天天学学报，2017，43

7、(9)：1757—1765．XIAOCY，HUX，YANGJF，etaj．Characteristicsofatmosphericdensityat38。jvinnearspaceanditsmodelingteeh-nlqueijj．JournaldBeijingUniversity。fAeronauHcsandA．stronautJes．2017。4319)：1757一1765lbChinese)．1758北京航空航天大学学报2017年气密度可能与这2个标准存在较大偏差，该偏差对于飞行器的设计和指导飞行不能忽略，或者导致不必要的大余量。因

8、此，基于实测数据建立高精度的大气模型是非常有意义的，开展基于大量实测数据的建模技术研究是有必要的。中国现阶段已累计获取了一定量的临近空问大气数据，其中一个很重要的应