一般人们把距离土层90公里以上的高空气体称为高层大气。在这个长宽比以上，大气密度随着长宽比的增大而急剧下降。当长宽比达到200km时，大气密度已经是路面的二分之一左右了！
一般人们把距离土层90公里以上的高空气体称为高层大气。在这个长宽比以上，大气密度随着长宽比的增大而急剧下降。当长宽比达到200km时，大气密度已经是路面的二分之一左右了！虽然那边的大气密度已经那么稀薄了，但是高速(约7.9km/s)绕地球运行的通信卫星所遭受的空气体的摩擦阻力还是不容小觑的。就像我们在路上骑车时，经常会因为来自气体的摩擦阻力而感到吃力一样，通信卫星也会因为空气体摩擦阻力的危害而逐渐感到“疲惫”，从而产生轨道的衰减系数。目前科技进步已经可以精确模拟通信卫星上除空空气摩擦阻力以外的各种扰动驱动力，包括地球上的非球面振荡、太阳月球振荡、辐射源光压振荡等。因此，由空空气摩擦阻力引起的振荡已经成为通信卫星定轨和天气预报的主要偏差。为了计算通信卫星所遭受的空空气摩擦阻力，我们必须设法确切知道那边的大气密度是多少。那么如何精确测量那边的大气密度呢？以下是一些在萌芽阶段常用的测量方法的例子。
图1空空气摩擦阻力影响下的卫星轨道衰减系数
大气密度探测器
传统的精确测量高层大气相对密度的方法是选择大气密度探测器，在我国的神舟系列飞船和龙宫系列四轴飞行器中都有配备。其关键原理是立即检测传感器中的空气体压力和温度，融合蒸汽分子动力学理论创建的基本表达式，得到任意大气密度。
大气密度探测器由传感器、电子电路和元件组成。该传感器由四部分组成:取样室、离子源、B-A计和温度传感器。外界自然环境中的蒸气分子结构进入采样室后，其温度被调整到撞击后接近壁面的温度，然后分子蒸气充分混合进入中和。嵌入式PN结温度计可以即时准确地测量采样室的温度，B-A表弱电解质计可以测量感应器内的标准气压。调整后的中性分子结构到达传感器的传感区域，通过弱电解质产生正离子。收集后，从正离子的压缩强度获得传感器中蒸汽的气压。
星载加速度计
星载加速度计是一种高精度的测量方法。用于地磁场方向科学研究的作用力通信卫星CHAMP、GRACE、GOCE和欧洲空局群通信卫星都装有这种载荷。以CHAMP通信卫星为例，它配备了三轴静电感应浮动星上加速度计，由CNES和ONERA、荷兰国家室内研究所空、荷兰国家航空空室内研究局共同设计方案制造。在这里，获得了实际的基本检测原理。
图2 champ通信卫星平面图(加速度计置于通信卫星质心)
图3 grace-a/b双星的平面图
实验块随机放置在一个器皿中，器皿壁上装有一个水平仪，可以根据静电感应浮动效应控制实验物体的运动。根据传感器模块中闭环的操作，实验块可以精确地保持静止在容器的中央。通信卫星不会受到外力影响时称为初始状态。在这种情况下，实验块的质心与通信卫星的质心重叠。如果通信卫星只承受重力，不承受其他所有非保守力，其初始状态不会改变。当通信卫星受到其他非保守力振荡时(空空气摩擦阻力、太阳晒太阳、汛期和光压振荡)，实验物体的质心会因惯性力而从通信卫星本身的质心偏移，与各空腔的距离会发生变化。传感器磁性感应到这种变化后，会立即调整工作电压。通过计算工作电压的变化，可以得到非保守力的瞬时速度。这个非保守力与大气密度直接相关，因此可以计算出匹配的大气密度。
图16 CHAMP通信卫星加速器
图5机载加速度计的示意电路图
星载加速度计的数据信息具有高精度、高屏幕分辨率的特点。从表1可以看出，CHAMP加速器的精度达到10-8m/s2，GRACE通信卫星的精度也达到10- 10m /s2，以大气密度计算，精度达到10-15~10-14kg/m3。而在CHAMP和GRACE的长宽比中，大气密度约为10-13~10-11kg/m3。因此，可以根据加速度计数据信息精确测量卫星轨道处的大气密度。
表1加速器的基本数据
从表1可以看出，目前大部分高精度加速度计都是荷兰制造的。遗憾的是，目前我国还不具备制造这种高精度加速度计的工作能力。在我国航天工程中，加速度传感器多用于微重力探测系统和高精度惯性导航系统软件中，也可用于高精度静态数据测角系统软件中。还没有瞬时速度用于空气体反演技术的工程实例。如图5所示，我国工业加速度传感器用于惯性导航系统，其屏幕分辨率约为10-6m/s2。
图6机载加速度计的示意电路图
一种类似于加速度计基本原理的仪器是“摩擦阻力平衡器”，用弹性黄系统的软件代替静电感应系统软件，根据弹性黄偏差得出摩擦阻力，从而得出大气密度。该方法最早由西班牙罗马大学明确提出，主要用于微小卫星平台。该方法为MSIS90方法的建立提供了摩擦阻力平衡起重机的数据信息。
铁路数据信息反演技术
将卫星轨道数据信息反演技术应用于大气密度也是准确测量大气密度的关键。许多已知的半工作经验空气体实体模型都是利用这样测得的大气密度作为基础数据信息而创建的，如Jacchia和CIRA系列产品实体模型。基本概念(图7)是:通信卫星在空空气摩擦阻力的作用下，可以偏移预留轨道，利用轨道主要参数的变化与大气密度的关系，可以反演大气密度。
图7使用轨道衰减系数反演技术的大气密度平面图
近年来，出现了一种利用通信卫星TLE反演技术实现大气密度的方法。说白了，TLE数据信息由两排轨道要素组成，包括通信卫星的序号和时间，轨道的六个主要参数(轨道倾角、偏心率、每天绕行次数、上升交点赤经、近地点角距离、平近点角)。TLE数据信息从20世纪50年代才开始记录。截止到17年6月底，汇总数据总数已经达到42000条，总计超过1亿条。因此，TLE数据信息具有优良的室内空穿透率和时间持续性，为大气密度反演技术和大气密度科学研究的长期趋势分析提供了宝贵的数据源。
TLE中每天的绕行次数可以显示航迹衰减系数的信息量。在空空气摩擦阻力的作用下，卫星轨道的衰减系数慢慢增大，导致每天绕行的次数。利用这个主要参数，结合轨道的其他主要参数与大气密度之间的相关性，可以计算出卫星轨道处的大气密度。
图8 2017年天宫一号每天绕行次数
由于每颗卫星每天只记录两组TLE数据信息，所以TLE的时间屏幕分辨率并不理想。为解决这一问题，近年来出现了利用通信卫星的高精度GPS数据信息反演技术反演大气密度的方法。这种方法的基本原理类似于TLE，但由于GPS数据信息记录的频率很高，因此具有非常高的时间屏幕分辨率。这种方法的缺点是对GPS数据信息的质量要求很高，GPS的精度必须达到厘米级。而现阶段能达到这一要求的通信卫星数据信息很少，所以逆变技术的大气密度非常有限。
这是目前几种常用的精确测量大气密度的方法。个人获得的大气密度可用于创建新的相对密度物理模型，并可调整现有的物理模型。在整个应用过程中，通信卫星定轨和天气预报大多采用空气固模型模拟大气密度的危害。但目前的固体模型一般会出现15%以上的偏差，如何准确测量更精确的大气密度还有很长的路要走。
