空间中心科研人员在地磁暴期间卫星阻尼系数的研究方面取得进展

卫星阻尼系数是反演热层中性大气密度时不确定性的重要来源，会进一步影响对低地球轨道（LEO）航天器大气阻力的估计，导致卫星定轨和预报的准确性不足。以往的研究通常使用常数 2.2 作为恒定的阻尼系数来反演热层中性大气密度。然而，由于空间环境的多变性，阻尼系数的不确定性会导致大气密度的计算结果出现显著的系统性差异。在不同的地磁活动和高度下，卫星的阻尼系数可能会有波动。准确计算和估计热层中性大气密度和卫星阻尼系数仍然是空间天气研究中的一项重大挑战。近些年来中国空间站建立和维护、载人航空航天的发射和运行、巨型星座计划的实施都对航天器的定轨和预报提出了更高的要求。

近日，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室特别研究助理王昕（第一作者）和罗冰显研究员（通讯作者）等与芬兰奥卢大学蔡磊教授等人合作提出了一种利用受地磁活动和高度影响的热层大气温度和密度来确定阻尼系数的新方法，并首次通过空间中心和小卫星院共同研制的 “轨道大气密度探测实验卫星”（简称球型卫星）的数据计算和分析阻尼系数在磁暴期间的响应。

图1.空间中心和小卫星院共同研制的 “轨道大气密度探测实验卫星”（简称球型卫星）

研究结果表明，阻尼系数可以通过热层大气温度和密度来估算，而大气温度和密度与地磁活动和高度有关。在约 510 千米的高度，阻尼系数被调整到约 2.425，而不是恒定值 2.2。此外，由于地磁活动的增强（如地磁暴）会提高热大气层密度和温度，阻尼系数可能会降低。在推导弹道系数时，研究结果估计的阻尼系数可以减小弹道系数计算时的误差。同样，使用估计的阻尼系数可以准确地反演球型卫星周围的热层中性大气密度，反演结果与 Swarm-B 卫星的大气密度相吻合。

该研究加深了我们对不同空间天气条件下阻尼系数对热层大气剧烈变化响应的理解，并提出了一种新的估算阻尼系数的方法，在计算热层中性大气密度、卫星定轨和预报等空间工程具有重要应用价值。相关工作发表在学术期刊Space Weather上。

文章信息及链接：Wang, X.*, Ren, T., Wang, R., Luo, B.*, Aa, E., Cai, L., et al. (2024). Estimates of spherical satellite drag coefficients in the upper thermosphere during different geomagnetic conditions. Space Weather, 22, e2024SW003974. https://doi.org/10.1029/2024SW003974

图 2. 使用 2023 年 2 月 1 日至 2023 年 6 月 30 日 TLE 数据得出的球型卫星弹道系数。三颗参考卫星（a）NORAD 25978、（b）NORAD 28221和（c）NORAD 25560卫星用于推导球型卫星的弹道系数。

图 3. 2022 年 8 月 16 日至 2022 年 8 月 19 日期间球型卫星和 Swarm-B 卫星反演的大气密度。(a) SYM/H 指数，(b) 利用恒定阻尼系数 2.2 （蓝线）和估算的阻尼系数（红线）得出的球型卫星TLE 大气密度，(c) 球型卫星POD 得出的密度，(d) Swarm-B的大气密度。

（供稿：天气室）