[ 扬帆导读 ] 我们通常将距离地表90km以上的高空大气称为高层大气，在这个高度以上，大气密度随着高度的增加急剧下降，到200km高度时，大气密度已经约为地面的五亿分之一！
我们通常将距离地表90km以上的高空大气称为高层大气，在这个高度以上，大气密度随着高度的增加急剧下降，到200km高度时，大气密度已经约为地面的五亿分之一！尽管那里的大气密度已经如此稀薄，但卫星高速地绕地球运行（约7.9km/s），所受到的大气阻力仍然不可小视。就像当我们在公路上骑行，经常因来自空气的阻力感到吃力一样，卫星也会因为大气阻力的影响而慢慢感到“劳累”从而发生轨道衰减。现有的科学技术已经可以非常准确地模拟出除大气阻力之外卫星所受的各种扰动力，包括地球非球形扰动、日月扰动和辐射光压扰动等，因此大气阻力产生的扰动已经成为卫星定轨和预报的最大误差来源。为了计算出卫星受到的大气阻力，需要尽可能准确地知道那里的大气密度到底是多少。那么如何测量出那里的大气密度呢？下面本文列举出目前几种常见的测量方法。
图1 卫星轨道在大气阻力的作用下逐渐衰减
大气密度探测器
测量高层大气密度的传统方法是采用大气密度探测器进行探测，我国神舟系列飞船和天宫系列飞行器都搭载有该仪器，其主要的工作原理是通过直接探测传感器内的气体压力和温度，并结合由气体分子动力学理论所建立的基本关系式来获得自由大气密度。
大气密度探测器由传感器、电子线路和结构件组成。传感器由取样室、离子源、B-A规和温度传感器四部分组成。外界环境中的气体分子进入取样室后，经过碰撞其温度被调节成接近器壁的温度，此时原子态的气体充分混合成中性。内置的PN结温度计可直接测量取样室的温度，B-A规电离计可测得传感器内气压。调节后的中性分子到达传感器的感测区，经过电离形成正离子，收集后从正离子流的强度获得传感器内气体的压强。
星载加速仪
星载加速仪是一种精度非常高的测量方法，重力卫星CHAMP、GRACE、GOCE和以研究地球磁场为目的的欧空局SWARM卫星均搭载有这种载荷。以CHAMP卫星为例，其携带的是一种三轴静电悬浮星载加速仪，由法国国家空间研究中心（CNES）和法国国家航空空间研究局（ONERA）共同设计制造，下面给出具体的探测原理。
图2 CHAMP卫星示意图（加速仪放置于卫星质心处）
图3 GRACE-A/B双星示意图
将试验物体自由地放置于容器中，该容器的器壁装有电极，可以通过静电悬浮作用控制试验物体的运动，通过在传感器单元内部提供一个闭合的环路控制，可准确地使试验物体静止在容器中央。我们将卫星不受外力时的状态称为初始状态，在该状态下，试验物体的质心与卫星质心重合。若卫星只受到地球引力而没有受到任何其他非保守力的影响，则初始状态不变，当卫星受到其他非保守力扰动时（大气阻力、日月、潮汐、光压扰动），试验物体质心就会由于惯性偏离卫星本体质心，并与各内壁的距离产生变化，传感器感应到这种变化后，会立即调整电压，将物体重新“推”回中心位置，这种增加的“电推力”等效于外部受到的非保守力。电压的变化经过换算，就能获得非保守力加速度的大小。这个非保守力又与大气密度直接相关，因此可以计算出对应的大气密度。
图4 CHAMP卫星搭载的加速仪
图5 星载加速仪原理图
星载加速仪数据具有精度高、分辨率高的特点。通过表1可以看出CHAMP加速仪精度达10-9m/s2，GRACE卫星精度
