我们个人把离地90公里以上的高空大气称为高层大气。在这个海拔以上，大气密度随着海拔的降低而急剧上升，达到200km时，大气密度大约是地面的一半！的确那里的大气密度已经很薄了，但是高速(约7.9 km/s)绕地球运行的卫星所遭受的大气阻力仍然不容忽视。就像我们在高速公路上行驶时，经常会因为来自大气的阻力而感到吃力，卫星也会因为大气阻力的影响而慢慢感到“疲劳”，导致轨道衰减。现有的科学技术大概可以大致模拟出除了大气阻力之外卫星所受到的各种干扰力，包括地球的非球面干扰、太阳和月球的干扰以及辐射光压的干扰等。因此，大气阻力对生命力的干扰成为卫星定轨和预测的最大缺陷来源。为了计算卫星的大气阻力，需要尽可能或大致知道大气密度有多少。那么你如何测量那里的大气密度呢？以下文章列举了目前几种常见的测量方法。
图1由于大气阻力的影响，卫星轨道迅速衰减
大气密度探测器
测量上层大气密度的传统方法是拒绝空气密度探测器停止探测。我国的神舟系列飞船和天宫系列飞行器都装有这种仪器，其主要任务原理是通过直接检测传感器中的气体压力和温度，并收集实际气体分子动力学所创建的基本关联式来获得自由大气密度。
大气密度探测器由传感器、电子线路和布局部分组成。传感器由采样室、离子源、B-A表和温度传感器4组成。外界环境中的气体分子进入采样室后，通过碰撞将它们的温度调节到壁面附近的温度。这时，原子气体完全异化为中性。内置PN结温度计可以直接测量采样室的温度，B-A表电离计可以测量传感器内的气压。调整后的中性分子到达传感器的传感区域，通过电离形成正离子。收集后，传感器中气体的压力由正离子流的强度获得。
星载加速器
星载加速度计是一种高精度测量路径，由重力卫星CHAMP、GRACE和GOCE以及欧空局SWARM卫星搭载，旨在研究地球磁场。以CHAMP卫星为例，它是由CNES和ONERA共同制造的3轴静电悬浮星载加速度计。具体检测原理如下。
图2 CHAMP卫星显示管(加速度计位于卫星质心处)
图3 GRACE-A/B双星指示管
被测物自由沉降在容器中，容器壁上装有电极，通过静电悬浮感染，可以移动被测物的流动。通过在传感器单元内部提供闭环管束，可以将测试对象粗略地固定在容器中。我们把卫星在没有外力作用下的形状称为初始形状，其中测试物体的质心与卫星的质心重合。如果卫星只受地球引力影响，没有任何其他非常规力，那么它的初始形态是强的。当卫星受到其他非常规力(大气阻力、日月、潮汐、光压扰动)的扰动时，测试物体的质心会因惯性偏离卫星体的质心，与各内壁的隔断会产生生命力变化。传感器感受到这种变化后，会立即调整电压，将物体推回到中心位置，这种位置被降低，通过转换电压变化，我们可以得到非常规力的加速度。Blog这种非常规力与大气密度直接相关，因此可以计算出相应的大气密度。
图4 CHAMP卫星上的加速器
图５ 星载加快仪原理图
图5星载加速度计示意图
星载加速度计的数据具有高精度和高判断率的特点。从表1可以看出，CHAMP加速度计的精度为10-9m/s2，GRACE卫星的精度为10-10m/s2，换算成大气密度可以达到10-15 ~ 10-14kg/m3。而在CHAMP和GRACE的高度，稠密大气的水平约为10-13~10-11kg/m3。因此，卫星轨道上的大气密度可以通过加速度计数据粗略测量。
表1加速器的基本动力学
从表1中可以看出，我们要么开创了当前的高精度加速仪。他们都在法国分娩。令人遗憾的是，我国目前没有如此高精度的加速仪。我国航天工程中的加速度计多用于载体微重力测量系统和高精度惯性导航系统，也可用于高精度动态角度测量系统。在大气反演中使用加速度没有工程先例。图5是一个惯性导航的海外财富速度计，其判断率约为10- 6 m/s2。
图6星载加速度计示意图
与速度计原理相同的一种仪器是“电阻平衡仪”，其中静电系统由弹簧系统扫过，通过弹簧位移获得电阻，进而获得大气密度。这个网关的末端最早是由意大利罗马大学提出的，主要承载在轻薄的卫星平台上。这条通道为MSIS 90形态的创造提供了阻力平衡器的数据。
轨道数据反演
通过控制卫星轨道数据反演大气密度也是测量大气密度的一个帮助来源。许多已知的半教育大气模型，如雅克亚和CIRA系列模型，都是通过将通过这种计算获得的大气密度作为数据根来创建的。基本原理(图7)是卫星在大气阻力的影响下会偏离预定轨道，通过支配轨道参数变化与大气密度的关系可以推导出大气密度。
图7显示了通过控制轨道衰减的大气密度反演管
近十年来，已经有了一种通过控制卫星的两行轨道元素来反演大气密度的方法。顾名思义，TLE数据由两行轨道要素组成，包括卫星编号、时间和六个轨道参数(轨道倾角、偏心率、每天的轮数、上升交点的赤经、相邻点之间的角距、平点与相邻点之间的角)。从20世纪50年代开始记录TLE数据。截至2017年6月底，已编制42，000多套指南，累计数据超过1亿套。因此，TLE数据的空间覆盖性和时空连续性较差，为大气密度反演和探讨大气密度的长期变化趋势提供了有价值的数据源。
TLE中的日循环数可能提供轨道衰减动态。由于大气阻力的影响，卫星轨道迅速衰变，导致日环流数量突然减少。卫星轨道上的大气密度可以通过控制该参数并收集各种轨道参数与大气密度之间的关系来计算。
图8天宫一号2001年日循环数
由于每颗卫星每天只记录有限数量的TLE数据，因此TLE的时间判断率并不理想。鉴于这一标题问题，近年来出现了一个从主要卫星的高精度全球定位系统数据中检索大气密度的门户。这个网关的原理和TLE是一样的，但是因为GPS数据记录的频率很高，所以时间判断率非常高。这个网关的毒是对GPS数据的质量要求很高，必要的GPS精度达到厘米级。目前达到这个要求的卫星数据非常少，所以能反演的大气密度非常有限。
这是目前测量大气密度的几种常用方法。获得的大气密度可用于创建新的密度模型，现有模型不可修改。在实际应用过程中，大气模型用于模拟大气密度对卫星定轨和预测的影响，而现有模型普遍存在15%以上的缺陷，因此如何测量较粗的大气密度还有很长的路要走。
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