临近空间是指高空区域20-200km的范围,因具有重要的利用价值而成为科学研究的重点。目前已知该空间环境极其复杂,其中囊括温度变化、波动、潮汐、湍流等现象;现有的天基遥感探测技术、火箭原位探测技术等探测数据已经对以上方面进行了大量的研究。大气星光掩星技术作为先进的天基探测技术中的重要一种,是利用地球大气的对星光的光谱吸收和折射特征进行行星中高层大气探测的有效手段,可探测获得大气密度、温度、成分等行星大气参数,在国内并未开展该技术的相关研究。该技术发展于上世纪六十年代,已经成功应用于地球、金星、土星、火星等行星的大气探测,并开展了一系列科学研究。星光掩星的原理为,穿过行星大气所得恒星光谱与未穿过行星大气的光谱的比值,与大气吸收成分密切相关;基于比尔-布格-朗伯定律,可用于反演得到全球相关吸收成分的数密度垂直廓线。星光掩星技术具有光路简单、探测精度高、全球覆盖性等优势。本文基于对星光掩星的前端科学研究,形成一个端对端的数据系统,即从原理分析到掩星事件仿真预报再到数据反演和误差分析,为后续形成小型化仪器奠定基础,开展了以下四个方面的工作。(1)深入分析星光掩星探测原理体制,并利用MODTRAN模式建立了掩星工作模型,对臭氧、二氧化氮、三氧化氮和氧气的特征光谱吸收线进行了分析,计算相应波段的大气透过率。基于此结果,进一步对四种成分的各吸收谱线的信噪比和相对误差进行了推导和计算。根据计算所得信噪比和相对误差,对全天区星源进行了筛选,在高信噪比和低探测误差的标准下,给出目标星源的视星等范围以及可实际利用并探测的吸收光谱线,还给出目标恒星的坐标分布以及光谱型。结果显示:可作为光源进行探测的星源视星等范围为-1.45～3.55,此时接收光谱信号信噪比大于100,探测的相对误差最小可达到1%。(2)基于为卫星轨道设计和探测载荷设计提供理论指导的目的,进行了观测事件仿真,也是对掩星观测能力的验证,即利用LEO卫星和恒星在地固坐标系中的相对坐标位置,进行恒星-LEO掩星轨道观测仿真,具体流程为:第一步读取LEO卫星和恒星的坐标位置,设定模拟观测时间为24小时;第二步判断是否处于掩星状态,当掩星事件开始时,计算并给出掩星事件发生的速度、经纬度等,直到时间结束。根据模拟结果,统计计算并分析掩星事件的日观测量、持续时间、全球分布和漂移速度等,有以下结果:1)24小时的轨道模拟期间,得到掩星事件日观测量5563次,包括上升掩星2737次,下降掩星2826次;2)从全球分布角度看,事件主要分布在低纬度,两极最少,中纬度纬度数量相当,经度方向上分布较均匀;3)从方位角的分布来看,正常掩星占总数的78.25%,平均持续时间为1.5分钟,切点的水平漂移范围为18km～600km;4)侧面掩星事件发生率为21.75%,与正常掩星对比来说,其持续时间更长,切点的水平漂移速度更大,方位角变化更大。(3)观测量仿真可实现对光谱吸收的精细结构分析,掌握观测量的状态,得到的大气透过率用以开发反演算法。首先,将天狼星的红外光谱(755nm～774nm)作为原始光谱输入,通过三维射线追踪模拟地球大气地面至110km高度的红外光线在大气中传输的路线。其中,设定频率为3.95e 14Hz,地球形状是椭球状,大气模型选为中性大气,且已知目标恒星和低轨卫星在地固系中的位置数据,得到每条光线上各个点的坐标。其次,利用HITRAN数据库输出氧分子吸收线相关参数,包括吸收线强度和低能态能量等,利用逐线积分计算分子吸收截面。最后,计算出该波段的大气透过率。为方便验证算法以及实现小型化仪器设计,选择760nm和762nm即氧气分子的特征吸收谱线,计算两谱线的大气透过率随高度的变化以及信噪比,以指导仪器设计。此外,为了更加清楚的了解实际观测量的状态,我们计算了大气折射部分引起的透过率变化。经以上模拟和计算,得到以下结果:近红外波段755nm～774nm在80km、100km、110km三个高度所得大气透过率随高度的增高而趋近于1。相比0.2nm的光谱分辨率,0.1nm分辨率时大气透过率的变化范围为0.28～1,相比较前者范围更大。此外,在110km高度透过率为0.987,探测的精确度可小一位。折射作用引起的透过率部分在60km以上为1,所以60km以上高度可忽略大气折射的作用。760nm和762nm特征吸收线处得到光强度信噪比均在100以上,当光谱分辨率为0.1nm时,光强度信噪比的值更小,说明氧气对光谱的吸收作用更强。(4)反演算法的开发是星光掩星技术的核心所在,本文利用了剥洋葱法对仿真数据进行了反演,得到氧气在0-120km的垂直数密度分布,并与MSISE00数据对比,相对误差不超过0.3%,并做了局部圆弧修正工作。为了进一步验证反演算法程序,选择GOLD和GOMOS的实测数据进行反演。其中,将反演所得130-230km的氧气与GOLD发布的数据结果对比,偏差在15%以内;反演所得臭氧的数据与GOMOS发布的结果对比,63km以下相对偏差最大不超过20%,63km以上最大不超过10%。