高层大气直接法利用飞机、气球、火箭和人造地球卫星等飞行器，把探测仪器带到所要观测的空间，测定飞行器周围的大气参量；或通过研究空间环境对飞行器的影响，如卫星的大气制动来探测大气密度
高层大气研究卫星（UARS）高层大气研究卫星（UARS：The Upper Atomsphere Reserach Satellite)是美国NASA20世纪80年代就开始实施的“行星地球使命”中的第一个主要任务，用于进行系统综合性的平流层研究，并提供中间层和热层的新资料，帮助确定高层大气在气候和气候变率中的作用
Odin小卫星Odin是一颗天文和中高层大气研究双重任务的科学小卫星，由瑞典、加拿大、芬兰和法国的空间机构共同研制，2001年2月20日发射升空，上天后的任务运行和控制由瑞典的Earange空间中心负责
卫星平台使用反作用轮、星跟踪器和陀螺仪实现三轴稳定
卫星总质量250kg（其中载荷80kg），太阳能帆板提供功率340W
飞行轨道是太阳同步圆形轨道，高度600km，升交点时间18:00，每天绕地球15圈
自发射上天后，Odin为科学家提供了大量臭氧层损耗（O3、NO2、OCIO、HNO3、NO、N2O、O4等） 的资料，Odin的观测还可用于平流层云和气溶胶气候效应的研究
TIMED卫星作为NASA太阳—地球探测计划中的先期项目，热层—电离层—中间层能量和动力学卫星TIMED（Thermosphere Ionosphere Energetics and Dynamics），于2001年12月7日升空
其轨道是太阳同步圆轨道，高度625km，倾角74°
TIMED具有很高的自主运行能力，即自检测和自调整功能；电子模块集成度高，某些部件更加小型和轻型化；用星载GPS接收机进行精密定轨，大大减少了地面的定轨和遥测遥控的任务
TIMED任务是研究太阳和人为扰动对中间层和低热层/电离层（MLTI）的影响，重点观测60-180km高度的大气层，那里是地球环境与外太空间的门栏区，部分太阳能量首先在那里被吸收，由于扰动那里的热力和化学状态可以很快地变化；该区域将无线电波反射回地球，使得长距离无线电通讯成为可能
MLTI对于卫星通讯、卫星跟踪、航天器寿命、航天器材料退化和载人航天器再入是关键层区
TIMED提供全球MLTI区的温度、气压、风速、化学成分及能量的输入和输出资料，帮助理解该层区的能量平衡，提供全球变化早期预警的一个基础
ENVISAT（ENVIriment SATllite）ENVISAT于2002年3月1日发射，是目前最大的地球观测卫星，是欧洲空间局遥感卫星ERS的后续者，设计寿命5年
飞行轨道圆形太阳同步极轨，高度796km，倾角98.54°，周期100分钟
卫星重8211kg，其上搭载10台（部）先进的光学和雷达仪器，提供地球陆地、大气、海洋和冰盖的连续观测，提供大量有关地球系统运动的信息（包括气候变化的控制因子）
Aura卫星Aura卫星于2004年7月15日上天，是对地观测系统（EOS）中大气成分或环境监测卫星
Aura轨道是一个近极地太阳同步轨道，高度705km，每天环绕地球13圈
Aura上的4个遥感器（HIRDLS、MLS、OMI和TES）能够每天提供全球臭氧层、空气质量和关键气候参数的观测，其联合观测可以帮助认识平流层和对流层对臭氧的贡献及影响臭氧分布的输送、物理和化学过程
大气垂直探测器 TOVS/ATOVS和AIRS业务垂直探测器TOVS（the TIROS Operational Vertical Sounder）是美国NOAA系列气象卫星上的主载荷之一（最早在 1975年上天的NOAA-6上），测量大气温度和湿度垂直分布
TOVS实际上由3个仪器组成，即高分辨率红外辐射探测器HIRS、微波探测单元MSU和平流层探测单元SSU，都进行跨轨扫描，星下点的瞬时视场分别约为17、147和109km
HIRS有19个红外通道和1个可见光通道，其中有测量平流层温度的通道，还有一个通道9在9.7μm臭氧吸收带上，所以能够提供臭氧总量的信息
MSU有测量上对流层和下平流层温度的通道，SSu的3通道测量平流层温度
总臭氧绘图光谱仪和太阳后向散射紫外仪臭氧总量测绘光谱仪计划始于雨云—7卫星（Nimbus-7）上的TOMS（Total Ozone Mapping Spectrometer）飞行正样，该卫星于1978年10月24日升空
TOMS用一个单色仪测量6个波段后向散射太阳紫外辐射，滤光片带宽1nm
TOMS扫描镜使观测从右向左跨轨扫描约102度，采样间隔3度，共35个采样
TOMS扫描有4种工作方式来确定资料处理顺序和资料格式：正常扫描、单步进、观测散射镜和装载模式
仪器一般在正常模式下测量后向散射太阳辐射；在单步进模式，扫描装置由地面控制；太阳强度在观测散射镜模式下测量；在装载模式下进行在轨标定，此时汞—氩灯打开，散射板将灯光反射进仪器
TOMS的波长标定与SBUV进行了比较，发射后进行了重大改进使得波长漂移引起的臭氧误差小于0.2%
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