临近空间大气环境特性监测与研究

临近空间大气环境特性监测与研究

装备环境工程

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EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING

第5卷 第1期

2008年02月

理论与实验研究

临近空间大气环境特性监测与研究

康士峰

(中国电波传播研究所,山东青岛266107)

摘要:随着临近空间飞行器的不断发展和运用,作为武器装备和系统环境的临近空间大气特性成为作战保障的重要条件。结合临近空间飞行器的应用需求,对临近空间的特点、大气环境监测和研究的相关问题进行了综合性分析,为开展临近空间环境信息保障和服务提供参考。

关键词:临近空间;大气;监测;雷达;对流层;电离层中图分类号:X831 文献标识码:A文章编号:1672-9242(2008)01-0020-04

MonitoringandStudyofAtmosphercEnvironmentinNearSpace

KANGShi feng

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Abstract:Aircraftsinnearspacehavebeendevelopedandusedcontinuallyinrecentyearsfortheparticularadvantages.Themonitoringandstudyofatmospherecharacteristicsinnearspaceasanenvironmentforspaceweaponequipmentsandsystemhavebeenregardedmoreimportantforbattlesupport.Therelatedproblemsofnearspacecharacteristics,atmosphercenvironmentmonitoringandstudywereanalyzedforapplicationrequirementsofaircraftsinnearspace.Thepurposewastoprovidereferenceforenvironmentinfor mationandserviceinnearspace.

Keywords:nearspace;atmosphere;monitoring;radar;troposphere;ionosphere

临近空间是指距离地球表面20~120km的空域,也可称亚轨道或空天过渡区,大致包括了以大气成分和特性划分的平流层、中间大气层和部分电离层区域,处于现有飞行器最高飞行高度和卫星最低轨道高度之间。临近空间飞行器是指能在临近空间作长期留空、持续飞行的飞行器,在所观测区域内能够比卫星提供更丰富的信息,同时成本却要便宜得多,因此,在通信保障、情报收集、远程打击、快速突防、电子压制、侦察监视和远程预警等方面的开发应

收稿日期:2007-12-24

用价值引起广泛关注。由于保障空间安全和军事上特殊的重要性,自20世纪70年代中期开始,国际上组织了多项全球性合作研究,目的在于弄清中、高层大气中关键的光化和动力学过程以及它们对空间环境的影响。美国根据自身空间发展的需要,明确提出了研究中、高层大气空间天气问题的科学目标:在深入理解背景特征的基础上,发展预报模式,预报空间天气事件的出现、持续时间、强度及其对空间和地面系统的影响。国际上实施的 大气各区域耦合、

作者简介:康士峰(1966-),男,河南人,博士,研究员,中国电子学会高级会员、三遥分会委员,主要从事电磁散射理论、地海杂波特性、微

波遥感、电波环境观测与机理研究。

临近空间大气环境特性监测与研究

能量和动力学计划 也试图深入理解中、高层大气的变化。

临近空间是地球中高层大气空间的重要组成部分,相对于低层的对流层大气环境和上部的电离层及以上空间天气研究,临近空间是了解较少的大气层区域,其内部同样涉及与日地关系和气象变化相关的复杂大气现象问题,有待于深入研究。该区域光化学反应占优势,其大气现象存在着同低电离层之间的耦合以及同对流层之间的耦合,与太阳辐射引起的大气能量通量和动量传输强弱有关,临近空间中的大气风场复杂变化和温度、密度、气压状态及动力学扰动将直接影响着人类的临近飞行器安全、航空航天活动的有效进行和无线电系统的信息传输等。因此,对临近空间大气环境进行监测和研究,为航天和国防工程服务,具有十分重要的经济和军事意义。

集成,提高联合作战能力,十分重视空间系统的环境特性。

为了保障空间飞行器的安全运行,欧美等发达国家非常重视与空间信息链路和空间飞行器相关的空间环境监测和数据库建设,利用大量气象、专业卫星和先进的遥感设备,已获得了全球范围内长期的电离层和低层大气环境特性遥感数据。目前对临近空间的观测相对来说还比较少,主要采用激光雷达、MST雷达和流星雷达等手段。近年来,由于对临近空间作战意义的认识以及临近空间飞行器的研制和试验,对临近空间大气环境特性的监测已经受到西方军事强国的重视。

为了探讨发展临近空间飞行器的有效途径,国家自然科学基金委员会于2006年4月组织召开了 临近空间飞行器的发展趋势和重大基础科学问题研讨会 ,临近空间飞行器和环境问题已得到我国相关部门和专家的高度重视。中电集团22所、北京大学、中科院武汉物理与数学所、中科院空间中心等已建有对电离层的观测台站,在临近空间范围国内已研制成功双波长激光雷达等探测系统。22所从国内外引进了可以覆盖临近空间的大气环境探测系统,如激光雷达、ST雷达、MF雷达和流星余迹雷达、利用 子午工程 改造的非相干散射雷达等,即将安装调试并投入日常监测。

1 临近空间环境研究需求

现代高科技战争最突出的特点是信息战和空间战,通过空、天、地多维综合信息武器系统和高空平台的支持实现远程信息获取和精确打击能力。因此,空中平台、空间飞行器及其作战环境是武器系统发挥作用的前提条件,空间信息链路的空间环境特性和保障成为作战保障的重点,实现时空无缝隙的空间环境信息支持和实现监测、预报、预警服务是技术保障的基础。

临近空间飞行器包括平流层太阳能无人机、平流层飞艇、自由浮动气球和遥控滑翔飞行器等。相对于特定区域,临近空间飞行器既能比卫星提供更多更精确的信息并节省费用,又能比通常航空器减少遭地面攻击的机会。美空军已确定了临近空间飞行器的10个应用方向,包括全球定位系统协助下的跟踪、侦察和情报搜集等,并已于2005年1月开始进行临近空间飞行器的试验。美军2005年2月开始的 施里弗-3 首次将 临近空间 飞行器引入太空战模拟演习。随着战场高空化进程的加快,临近空间飞行器作为新的空战平台成为一个必然发展趋势,临近空间飞行器发射升空、展开工作、信息处理、实施打击、返航着陆等一系列行为都将自动完成并实现智能化,而这些过程都需要对空间环境的精确2 临近空间环境研究内容与方法

临近空间不是孤立存在的,存在着与太阳活动影响的日 地关系和低层气象变化相关的复杂耦合作用。为了实现对临近空间大气环境的监测和预警能力,需要具有先进的探测手段和对临近空间大气模式的研究以及基于大气环境特性对空间飞行器影响的评估和预警技术研究。临近空间大气环境研究可以有以下几方面。

1)研究临近空间飞行器大气环境保障需求。临近空间大气环境中的温度、密度、气压和大气风场等参数具有与其它空间环境不同的特点,临近空间中、高层大气是各种航天器的通过区和可能驻留区,其高度上的暂态结构对飞行器的安全与准确入轨具有重要影响。进行临近空间飞行器的结构设计、材料设计和飞行与留空路径设计、作战时段设计等需,

临近空间大气环境特性监测与研究

射、升空和部署、回收也与低层大气环境特性密切相关。因此,对临近空间飞行器的不同阶段的环境保障还涉及低层近地空间至临近空间的整个范围。

2)临近空间大气环境联合监测。根据国内外现有监测设备的能力、适用范围和局限性,临近空间大气环境的特性需要利用不同的监测设备进行探测,以便遥感提取不同高度的大气参量信息,保证数据的合理性和有效性,特别是要保证数据对临近空间飞行器保障的可用性。研究论证建立以ST(VHF)雷达、MF雷达、高空激光雷达和其他观测设备组成的多参量协调观测系统需求,包括天地基联合观测的可行性、不同监测站网的集成性和监测手段的互补性等。

3)临近空间大气环境动力学耦合过程、物理化学效应与扰动机制研究。临近空间大气环境也是一种流体动力学过程,上部包括了平流层与中间层同低电离层之间的耦合,下部还包含了平流层同对流层之间的耦合,大气波动具有内重力波、潮汐波和行星波的形式,大气结构存在空间不均匀性和时变性。研究临近空间的大气环境特性需要结合太阳活动带来的日地物理扰动效应和低大气层中的非均匀性冷热梯度、传导对流和非线性等气象过程等,结合监测数据分析揭示大气环境时空变化的时空因果链和相关性等规律。

4)临近空间大气环境综合参数的分析和时 空建模技术研究。临近空间大气环境参量受各种动力学和上下层耦合因素影响,既具有随机的特性又具有统计规律,采用统计学方法对大气环境参数进行处理和分析,建立统计模型是研究临近空间大气环境参数变化和影响的一种有效方法。根据分布式网络不同类型监测数据进行多源融合,研究其相关性,利用概率分布模型和特征值完整描述临近空间环境的三维物理结构和特性,为大气环境的异常提供评价依据,得到环境参量变化幅度、覆盖范围、延续时间等信息,以便及时采取应对措施。

5)临近空间大气环境数据库系统建设与信息服务技术。分析临近空间大气环境的参数类型、变化特征和探测数据格式,论证建立临近空间大气环境数据库支撑系统应具备的数据传输、多源多参量数据统计与融合、时 空相关分析、查询和添加、输出等功能,研究数据库应采用的数据格式、组织管理形

警技术研究论证,来支持对临近空间大气环境异常的预报预警、信息发布和服务等。

6)临近空间大气环境对飞行器安全和性能的影响评估。根据临近空间的大气环境状态和变化数据,结合具体飞行器结构和动力特点及与大气环境的依赖关系,评估可能对临近空间飞行器和作战任务对象产生的影响,为临近空间异常大气环境预警提出判据和建议。

3 临界空间环境监测系统

近年来,国外已经研制和建立了不同体制的雷达系统来监测中、高层(含距地表20~120km的临近空间)大气环境,成功发展了多个高层大气风场模式。国内在高空大气雷达方面也取得了一些进展,如中科院武汉物理与数学研究所建立了测风中频雷达和流星雷达,研制的双波长高空激光雷达可实现对距地表30~110km中高层大气和低电离层段的探测。中科院大气物理研究所也研制出国内首台VHF/ST雷达。中国电波传播研究所已在国内联合研制或从国外引进可以覆盖临近空间的低、中、高层系列大气探测设备和系统,可形成空间大气环境综合监测能力。相关大气环境监测设备和主要功能如下。

3.1 平流层 对流层(ST)雷达

ST雷达主要用于平流层和对流层中中性大气风场和气体分子分布的观测,进行中性大气时空变化研究,可以为战时武器系统和平流层飞艇等的运行提供背景参数,保证武器系统运行,并可以直接为临近空间大气环境变化的动力学过程监测和分析提供技术数据。ST雷达观测量如图1所示。

图1 ST雷达观测量Fig.1 ObservationforSTradar

1)雷达功率:40/60/80kW;2)雷达接收机:相干;3);

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4)波束变换方法:延迟转换,相位延迟;5)分析模式:Doppler波束转换;6)探测距离:1~20km;7)检测时间:1min(最小);8)距离分辨率:100~600m;9)遥控方式:远距离监测和控制。

2)雷达接收机:5个相干通道;3)分析模式:流星温度和速度分析;4)采样距离:80~110km;5)距离分辨率:1km。

3.4 激光雷达

双频激光雷达系统利用钠共振荧光激光雷达技术探测钠层的密度分布,利用瑞利散射激光雷达技术探测平流层至中层大气温度垂直分布廓线,利用米 拉曼散射激光雷达探测对流层和平流层大气气溶胶消光系数垂直分布廓线。

1)钠层密度探测范围:夜晚,垂直70~110km。2)钠密度探测最小垂直分辨率:15m,最小探测时间为5min。

3)钠密度探测误差: 10%。

4)大气温度有效探测距离:夜晚,垂直30~70km。

3.2 中层(MF)雷达

中层雷达利用中频或高频信号在电离层D区和E区的吸收来测量电离层电子密度和等效碰撞频率的探测技术,利用分立天线布阵技术还可以用它探测中层风场。MF雷达观测量如图2

所示。

图2 MF雷达观测量Fig.2 ObservationforMFradar

5)大气温度最小垂直分辨率:15m,最小探测时间为5min。

6)大气温度探测误差:70km以下小于5K。7)大气气溶胶有效探测距离:夜晚,近地面至30km。

8)大气气溶胶探测最小垂直分辨率:15m,最小探测时间为5min。

9)大气气溶胶后向散射比探测误差:20km以下,<15%;20~30km,<20%。

10)探测时间:5~30min。11)探测垂直分辨率:15~500m。

1)雷达功率:16/32/64kW;2)雷达接收机:4个相干通道;3)分立天线阵:4个交叉偶极子;

4)分析模式;风速估计(FCA,SCA);湍流估计(FCA);

5)探测距离:50~110km;6)距离分辨率:1km。

3.3 流星雷达

利用流星雷达对流星雨进行观测,可积累流星雨出现的时间和空间的分布概率及流星雨的流星体大小和飞行速度分布等基本物理数据。流量雷达观测量如图3

所示。

3.5 非相干散射雷达

非相干散射雷达向高空电离层发射强功率脉冲信号,接收电离层散射回波电子密度、电子温度、离子温度、离子成分、等离子体速度参数。

1)工作频段:400~500MHz;2)发射脉冲功率: 2MW;3)脉冲宽度:20~500 s;4)调制类型:脉内相位编码;5)系统噪声温度: 100 ;6)天线类型:25m直径抛物面天线;7)最小距离分辨力:1.2km;

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图3 流星雷达观测量Fig.3 Observationformeteorradar

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临近空间大气环境特性监测与研究

满足电磁兼容性指标要求进行的,只是某些EMC测试项目指标超标,针对这些超标问题进行整改,其目的是使型号产品能够通过认证测试;电磁兼容故障整改是针对设备或系统工作不正常进行的,这种故障相当部分是更深层次的电磁兼容性问题,如印制板组件内器件或设备布线的电磁兼容性故障,整改的目的是消除或减小干扰直到设备能正常工作。

性预测试和故障诊断预测试,是武器装备的研制生产中的重要测试手段。它能够及时检验武器装备的EMC设计是否合理,使设计人员尽快了解要进一步抑制干扰需从哪些环节入手。因此,在武器装备的设计、研制过程中必须进行EMC预测试。

4 结语

EMC预测试可以在产品开发全过程中进行,能及早地发现设计中的问题,它不需要苛刻的试验条件,也回避了购置昂贵测试设备的困难,因此它有强大的生命力。预测试的内容包括两方面:指标符合

参考文献:

[1] 区健昌,林守霖,吕英华.电子设备的电磁兼容性设计

[M].北京:电子工业出版社,2004:323-337.[2] 米切尔 麦迪圭安.电磁干扰排查及故障解决的电磁

兼容技术[M].刘萍,魏东兴,译.北京:机械工业出版社,2002:24-61.

(上接第23页)

8)测量精度:相对测量误差小于2%;9)测量高度范围:80km至1500km;

10)测量区域:水平距离1500km。

器性能与安全的重要条件,临近空间飞行器的系统设计和运行需要临近空间大气环境特性的监测、研究和预报预警等技术的支持。临近空间大气环境监测和研究的主要内容包括先进的空间探测系统与技术、大气物理参数的获取方法、大气结构和过程建模等。分析了临近空间应用需求、大气环境的特点、环境监测和研究的相关问题以及临近空间多手段监测系统的能力等,为开展临近空间环境的监测和研究以及临近空间环境信息保障服务提供参考。

3.6 射电天文系统

射电天文观测设备可以为临近空间大气环境的变化成因提供技术分析参考数据。

1)频率范围:50~2000MHz和2800MHz;2)频率分辨率:1MHz,10MHz,20MHz可变;3)时间分辨率:10ms~3s;4)极化方式:垂直极化和水平极化;

5)灵敏度:50sfu;

6)动态范围:0.02~10倍宁静太阳背景辐射;7)系统输出:实时时频图谱,实时数据采集和存储,太阳射电爆发的类型分析和太阳黑子活动预报;

8)观测时间:日出到日落。

参考文献:

[1] 宋笔锋.航空航天技术概论[M].北京:国防工业出版

社,2006.

[2] 蔡风震,田安平.空天一体作战学[M].北京:解放军

出版社,2006.

[3] 曹秀云.近空间飞行器成为各国近期研究的热点[J].

中国航天,2006,(6、7).

[4] HORIKAWAS,NAKAGAWAM,munica

tionusingReflectiveWaveonHAPS[C]//MobileandWirelessCommunicationsNetwork.2002:515-518.[5] 王少伟.平流层信息平台技术的发展及应用前景[J].

地面防空武器,2006,(318).

[6] 唐志华.基于临近空间的目标探测及宽带通信[J].无

,3.7 GPS观测设备

实时监测与临近空间环境相关的电离层TEC和反演对流层大气折射率及温、湿剖面。

4 结语

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hcgj.html