CN108709956B - 基于落球定位信息的大气参数测量方法和设备 - Google Patents
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Abstract
提供一种基于落球定位信息的大气参数测量方法和设备，所述方法包括：获得落球从抛球点被抛出的模拟飞行轨迹；基于落球的模拟飞行轨迹确定落球在不同高度处的第一阻力加速度；根据落球的实测飞行轨迹建立落球的高度观测仿真数据，并通过平滑滤波基于建立的落球的高度观测仿真数据确定落球在不同高度处的第二阻力加速度；根据第一阻力加速度与第二阻力加速度的比较结果确定与不同高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度；基于最优窗口宽度来确定落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度；利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。采用上述基于落球定位信息的大气参数测量方法和设备，可提高确定大气参数的准确性。
Description
技术领域
本发明总体说来涉及空间物理技术领域，更具体地讲，涉及一种基于落球定位信息的大气参数测量方法和设备。
背景技术
随着新一代航空器、浮空器和亚轨道航天器的发展，临近空间正在成为开展高新技术应用和国防安全活动的新领域，关于该领域大气环境的研究日益成为关注的热点。
目前对临近空间的观测相对来说还比较少，主要采用激光雷达、MST雷达、流星雷达和火箭探空仪等方式对临近空间进行观测。现有的探空火箭探测系统，其运载火箭能力最大可达100km以上，但受降落伞开伞高度和温度传感器工作原理的限制，其观测数据的可信高度通常只能达到60km左右，无法满足探测60km以上高度的大气环境的要求。此外，落球法是国外用于探测30-100km大气环境的重要手段，但其对于70km以上高度的大气环境的探测的准确性低、误差大。
发明内容
本发明的示例性实施例的目的在于提供一种基于落球定位信息的大气参数测量方法和设备，以克服上述至少一个缺点。
根据本发明示例性实施例的一方面，提供一种基于落球定位信息的大气参数测量方法，所述方法包括：基于落球的抛球点高度和抛球点速度，获得落球从抛球点被抛出的模拟飞行轨迹；基于落球的模拟飞行轨迹确定落球在不同高度处的第一阻力加速度；根据落球的实测飞行轨迹建立落球的高度观测仿真数据，并通过平滑滤波基于建立的落球的高度观测仿真数据确定落球在不同高度处的第二阻力加速度；根据第一阻力加速度与第二阻力加速度的比较结果确定与不同高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度；以确定的与不同高度对应的最优窗口宽度对落球的实测飞行轨迹进行平滑滤波，并基于平滑滤波后的实测飞行轨迹确定落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度；利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。
可选地，根据落球的实测飞行轨迹建立落球的高度观测仿真数据的步骤可包括：通过位置探测器检测落球的实测飞行轨迹；确定位置探测器的检测误差；基于检测的落球的实测飞行轨迹和确定的位置探测器的检测误差建立落球的高度观测仿真数据。
可选地，确定的位置探测器的检测误差可包括在位置探测器的预定误差范围内的多个检测误差，基于检测的落球的实测飞行轨迹和确定的位置探测器的检测误差建立落球的高度观测仿真数据的步骤可包括：通过将所述多个检测误差分别与落球的实测飞行轨迹作和，获得落球的多组高度观测仿真数据，其中，通过平滑滤波基于建立的落球的高度观测仿真数据确定落球在任一高度处的第二阻力加速度的步骤包括：对落球的所述多组高度观测仿真数据进行平滑滤波，并使用平滑滤波后的所述多组高度观测仿真数据确定落球在所述任一高度处与所述多组高度观测仿真数据分别对应的阻力加速度；将与所述多组高度观测仿真数据分别对应的阻力加速度的平均值作为落球在所述任一高度处的第二阻力加速度。
可选地，所述位置探测器可被布置在落球上。
可选地，根据第一阻力加速度与第二阻力加速度的比较结果确定与任一高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度的步骤可包括：通过调整平滑滤波的窗口宽度对落球的高度观测仿真数据进行平滑滤波，基于平滑滤波后的落球的高度观测仿真数据获得相应的落球在所述任一高度处的第二阻力加速度，找到使得第一阻力加速度与第二阻力加速度的差值最小的窗口宽度，将所述窗口宽度确定为与所述任一高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度。
可选地，所述大气参数可包括以下项中的至少一项：大气密度、大气风场、大气温度、气压。
可选地，利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数的步骤可包括：利用落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气风场，并将确定的在不同高度处的大气风场作为实际大气风场；基于落球在不同高度处的速度、第三阻力加速度、实际大气风场确定在不同高度处的大气密度。
可选地，利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数的步骤可包括：利用落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气密度，利用确定的大气密度，通过大气静力学方程和理想气体状态方程确定大气温度和气压。
可选地，所述方法可还包括：基于落球的实测飞行轨迹确定落球在不同高度处的实测阻力加速度；根据第二阻力加速度与确定的落球的实测阻力加速度的差值确定在不同高度处的系统偏差，其中，利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数的步骤可包括：使用确定的系统偏差分别对落球的速度和第三阻力加速度进行修正；利用修正后的落球的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。
根据本发明示例性实施例的另一方面，提供一种基于落球定位信息的大气参数测量设备，所述设备包括：模拟飞行轨迹确定单元，基于落球的抛球点高度和抛球点速度，获得落球从抛球点被抛出的模拟飞行轨迹；第一阻力加速度确定单元，基于落球的模拟飞行轨迹确定落球在不同高度处的第一阻力加速度；高度观测仿真数据确定单元，根据落球的实测飞行轨迹建立落球的高度观测仿真数据；第二阻力加速度确定单元，通过平滑滤波基于建立的落球的高度观测仿真数据确定落球在不同高度处的第二阻力加速度；最优窗口宽度确定单元，根据第一阻力加速度与第二阻力加速度的比较结果确定与不同高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度；落球速度参数确定单元，以确定的与不同高度对应的最优窗口宽度对落球的实测飞行轨迹进行平滑滤波，并基于平滑滤波后的实测飞行轨迹确定落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度；大气参数确定单元，利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。
可选地，高度观测仿真数据确定单元可包括：实测飞行轨迹获取单元，通过位置探测器获取落球的实测飞行轨迹；检测误差确定单元，确定位置探测器的检测误差；仿真数据建立单元，基于检测的落球的实测飞行轨迹和确定的位置探测器的检测误差建立落球的高度观测仿真数据。
可选地，确定的位置探测器的检测误差可包括在位置探测器的预定误差范围内的多个检测误差，其中，仿真数据建立单元可通过将所述多个检测误差分别与落球的实测飞行轨迹作和，获得落球的多组高度观测仿真数据，其中，第二阻力加速度确定单元可对落球的所述多组高度观测仿真数据进行平滑滤波，并使用平滑滤波后的所述多组高度观测仿真数据确定落球在所述任一高度处与所述多组高度观测仿真数据分别对应的阻力加速度，将与所述多组高度观测仿真数据分别对应的阻力加速度的平均值作为落球在所述任一高度处的第二阻力加速度。
可选地，所述位置探测器可被布置在落球上。
可选地，最优窗口宽度确定单元可通过调整平滑滤波的窗口宽度对落球的高度观测仿真数据进行平滑滤波，基于平滑滤波后的落球的高度观测仿真数据获得相应的落球在所述任一高度处的第二阻力加速度，找到使得第一阻力加速度与第二阻力加速度的差值最小的窗口宽度，将所述窗口宽度确定为与所述任一高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度。
可选地，所述大气参数可包括以下项中的至少一项：大气密度、大气风场、大气温度、气压。
可选地，大气参数确定单元可利用落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气风场，并将确定的在不同高度处的大气风场作为实际大气风场，基于落球在不同高度处的速度、第三阻力加速度、实际大气风场确定在不同高度处的大气密度。
可选地，大气参数确定单元可利用落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气密度，利用确定的大气密度，通过大气静力学方程和理想气体状态方程确定大气温度和气压。
可选地，所述设备可还包括：系统偏差确定单元，基于落球的实测飞行轨迹确定落球在不同高度处的实测阻力加速度，根据第二阻力加速度与确定的落球的实测阻力加速度的差值确定在不同高度处的系统偏差，其中，大气参数确定单元可使用确定的系统偏差分别对落球的速度和第三阻力加速度进行修正，利用修正后的落球的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。
根据本发明示例性实施例的再一方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现上述的基于落球定位信息的大气参数测量方法。
根据本发明示例性实施例的再一方面，提供一种计算装置，所述计算装置包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的基于落球定位信息的大气参数测量方法。
采用上述基于落球定位信息的大气参数测量方法和设备，可提高探测大气参数的准确性。
附图说明
通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的详细描述，本发明示例性实施例的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1示出根据本发明示例性实施例的基于落球定位信息的大气参数测量方法的流程图；
图2示出根据本发明示例性实施例的建立落球的高度观测仿真数据的步骤的流程图；
图3示出根据本发明示例性实施例的确定最优窗口宽度的步骤的流程图；
图4示出根据本发明示例性实施例的基于落球定位信息的大气参数测量设备的框图；
图5示出根据本发明示例性实施例的最优窗口宽度确定单元的框图。
具体实施方式
现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例，其中，一些示例性实施例在附图中示出。
图1示出根据本发明示例性实施例的基于落球定位信息的大气参数测量方法的流程图。应理解，在本发明示例性实施例中是基于落球法来计算大气参数的，例如，可利用火箭来搭载落球，并从预定高度(即，抛球点所在高度)抛出落球，以基于落球从抛球点开始的飞行轨迹来探测大气参数。下面来参照图1介绍基于落球法来确定大气参数的步骤。
参照图1，在步骤S10中，基于落球的抛球点高度和抛球点速度，获得落球从抛球点被抛出的模拟飞行轨迹。
作为示例，可首先获取落球的抛球点高度，然后再通过将获取的落球的抛球点高度对时间进行微分(如，将落球从抛球点高度开始经由一定时间的位移对时间进行微分)来获得落球的抛球点速度。这里，通过将落球的抛球点高度对时间进行微分来获得落球的抛球点速度的方法为本领域的公知常识，本发明对此部分内容不再赘述。
在一个示例中，可从火箭获取落球的抛球点高度。例如，当利用火箭来搭载落球时，火箭可检测到从火箭抛出落球的高度(即，抛球点高度)。
在另一示例中，可通过位置探测器来获取落球的抛球点高度。优选地，位置探测器可布置在落球上，作为示例，位置探测器可包括全球定位系统(GPS)或雷达。
优选地，在确定出落球的抛球点速度之后，可基于落球的三维动力学模型来获得落球从抛球点被抛出的模拟飞行轨迹。
具体说来，可利用落球的三维动力学模型，基于落球的速度、落球的截面积、落球的质量、阻力系数、大气密度、大气风场获得落球的模拟飞行轨迹。
例如，可利用下面的公式表示落球的三维动力学模型：
公式(1)中，ρi为在高度i处的大气密度，
为落球在高度i处的相对于地面的速度矢量，
为在高度i处的大气风场矢量，
为在高度i处的重力加速度矢量，
为在高度i处的阻力系数，
为高度i处到地球中心的距离，m为落球的质量，A为落球的截面积，Vb为落球的体积，
为地球的自转角速度矢量。
这里，可利用通用大气密度模式模拟获得在高度i处的大气密度ρi，利用通用大气风场模式模拟获得在高度i处的大气风场矢量
在高度i处的阻力系数
可通过查询阻力系数表获得。在此情况下，获得落球的模拟飞行轨迹的具体过程可为：通过公式(1)计算出落球在高度i处的速度变化率
然后基于在高度i处落球的速度和落球的速度变化率获得落球在高度i-1处的速度，此时可通过将落球在高度i-1处的速度对时间进行积分得到落球的高度i-1，后续再通过公式(1)计算落球在高度i-1处的速度变化率，以获得落球在高度i-1处的速度，重复上述过程即可获得落球的模拟飞行轨迹。应理解，落球的初始高度为抛球点高度，落球初始的速度为抛球点速度。这里，上述基于落球的三维动力学模型来获得落球的模拟飞行轨迹的方式仅为示例，本领域技术人员也可采用其他方式来获得落球的模拟飞行轨迹。
在步骤S20中，基于落球的模拟飞行轨迹确定落球在不同高度处的第一阻力加速度。
优选地，针对上述基于落球的三维动力学模型来获得落球的模拟飞行轨迹的情况，在步骤S20中可通过调整阻力系数、大气密度、大气风场中的至少一个参数，使得落球的模拟飞行轨迹与落球的实测飞行轨迹相近，得到落球的优化飞行轨迹，并基于落球的优化飞行轨迹确定落球在不同高度处的第一阻力加速度。
例如，可基于落球的优化飞行轨迹获得落球的不同高度，通过将获得的落球的不同高度分别对时间进行微分来获得落球在不同高度处的速度，再通过将落球在不同高度处的速度分别对时间进行微分来获得落球在不同高度处的加速度。应理解，此时获得的落球的加速度为一综合量，可将上述得到的落球在不同高度处的加速度减去落球在不同高度处的重力加速度、科氏力加速度、浮力加速度、离心力加速度来获得第一阻力加速度。
在步骤S30中，根据落球的实测飞行轨迹建立落球的高度观测仿真数据，并通过平滑滤波基于建立的落球的高度观测仿真数据确定落球在不同高度处的第二阻力加速度。
优选地，在本发明示例性实施例中是在落球的实测飞行轨迹中引入了位置探测器的检测误差，即，在落球的实测飞行轨迹中加入与检测误差相同的白噪声，从而建立了落球的高度观测仿真数据。也就是说，落球的高度观测仿真数据是引入了位置探测器检测误差的落球飞行轨迹。
下面参照图2来介绍建立落球的高度观测仿真数据的步骤。
图2示出根据本发明示例性实施例的建立落球的高度观测仿真数据的步骤的流程图。
参照图2，在步骤S301中，通过位置探测器检测落球的实测飞行轨迹。优选地，位置探测器可被布置在落球上。但本发明不限于此，还可将位置探测器设置在落球之外的其他位置上，用以检测落球的实测飞行轨迹。
在步骤S302中，确定位置探测器的检测误差。这里，位置探测器的检测误差可在位置探测器出厂时被确定。
在步骤S303中，基于检测的落球的实测飞行轨迹和确定的位置探测器的检测误差建立落球的高度观测仿真数据。例如，可通过将确定的位置探测器的检测误差与落球的实测飞行轨迹作和，来获得落球的高度观测仿真数据。
在一优选实施例中，确定的位置探测器的检测误差可包括在位置探测器的预定误差范围内的多个检测误差。这里，预定误差范围可为位置探测器出厂时所标定的该位置探测器的误差范围(如，±3)。在此情况下，基于检测的落球的实测飞行轨迹和确定的位置探测器的检测误差建立落球的高度观测仿真数据的步骤可包括：通过将所述多个检测误差分别与落球的实测飞行轨迹作和，获得落球的多组高度观测仿真数据。这里，落球的实测飞行轨迹可用一组数据(落球的实测飞行轨迹可为落球的高度随时间变化的一组数据)来表示，此时通过将所述多个检测误差分别与该组数据作和，来获得落球的多组高度观测仿真数据。作为示例，可利用蒙特卡洛法来基于多个检测误差和落球的实测飞行轨迹获得多组落球的高度观测仿真数据。
在此情况下，通过平滑滤波基于建立的落球的高度观测仿真数据确定落球在任一高度处的第二阻力加速度的步骤可包括：对落球的多组高度观测仿真数据进行平滑滤波，并使用平滑滤波后的多组高度观测仿真数据确定落球在所述任一高度处与多组高度观测仿真数据分别对应的阻力加速度，将与多组高度观测仿真数据分别对应的阻力加速度的平均值作为落球在所述任一高度处的第二阻力加速度。应理解，这里可通过将落球的高度观测仿真数据对时间进行微分来获得落球的第二阻力加速度，上述通过将落球的高度观测仿真数据对时间进行微分来获得落球的第二阻力加速度的方法为本领域的公知常识，本发明对此部分内容不再赘述。此外，对数据进行平滑滤波的方法也为本领域的公知常识，本发明对此部分内容也不再赘述。
返回图1，在步骤S40中，根据第一阻力加速度与第二阻力加速度的比较结果确定与不同高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度。也就是说，在本发明示例性实施例中，平滑滤波的最优窗口宽度随高度变化。
优选地，根据第一阻力加速度与第二阻力加速度的比较结果确定与任一高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度的步骤可包括：通过调整平滑滤波的窗口宽度对落球的高度观测仿真数据进行平滑滤波，基于平滑滤波后的落球的高度观测仿真数据获得相应的落球在所述任一高度处的第二阻力加速度，找到使得第一阻力加速度与第二阻力加速度的差值最小的窗口宽度，将所述窗口宽度确定为与所述任一高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度。
下面参照图3来介绍确定与任一高度对应的最优窗口宽度的步骤。
图3示出根据本发明示例性实施例的确定最优窗口宽度的步骤的流程图。
参照图3，在步骤S401中，确定第一阻力加速度与第二阻力加速度的差值。
在步骤S402中，确定所述差值是否小于设定值，即，当所述差值小于设定值时可认为差值达到最小。
如果所述差值不小于(即，大于等于)设定值(即，差值没有达到最小)，则执行步骤S403：调整窗口宽度，并返回执行步骤S30，以基于调整后的窗口宽度对落球的高度观测仿真数据进行平滑滤波，再根据平滑滤波后的落球的高度观测仿真数据重新确定落球在任一不同高度处的第二阻力加速度。
如果所述差值小于设定值，则执行步骤S404：将当前进行平滑滤波的窗口宽度(即，此时在步骤S30中进行平滑滤波所用的窗口宽度)确定为与任一高度对应的最优窗口宽度。
这里，在基于落球的高度观测仿真数据获得落球的第二阻力加速度时需要进行求导运算，由于位置探测器测量时还存在随机的检测误差，求导运算会使得该随机的检测误差被进一步放大，为减小该随机的检测误差，可对落球的高度观测仿真数据进行平滑滤波处理，随机的检测误差与做平滑滤波处理时所用的窗口宽度负相关。但由于落球的速度和阻力加速度随落球的高度的变化的特征无法用准确的函数式来表达，平滑滤波处理过程还会导致系统偏差的产生，该系统偏差与做平滑滤波处理时所用的窗口宽度正相关。因此，在本发明示例性实施例中在不同高度出采用不同的最优窗口宽度进行平滑滤波处理，能够使系统偏差和随机的检测误差之和减小到最小。
优选地，根据本发明示例性实施例的基于落球定位信息的大气参数测量方法可还包括：基于落球的实测飞行轨迹确定落球在不同高度处的实测阻力加速度；根据第二阻力加速度与确定的落球的实测阻力加速度的差值确定在不同高度处的系统偏差。
返回图1，在步骤S50中，以确定的与不同高度对应的最优窗口宽度对落球的实测飞行轨迹进行平滑滤波，并基于平滑滤波后的实测飞行轨迹确定落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度。
这里，可通过将平滑滤波后的实测飞行轨迹对时间进行微分来获得落球在不同高度处的速度，再将落球在不同高度处的速度对时间进行微分来获得落球在不同高度处的第三阻力加速度，本发明对此部分的内容不再赘述。
在步骤S60中，利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。
作为示例，大气参数可包括以下项中的至少一项：大气密度、大气风场、大气温度、气压。
例如，可通过下面的公式来利用确定的落球在任一高度处的速度和第三阻力加速度确定在所述任一高度处的大气密度：
公式(2)中，ρi为在高度i处的大气密度，
为落球在高度i处的相对于地面的速度矢量，
为落球在高度i处的垂直方向上的速度分量，
为落球在高度i处的垂直方向上的加速度分量，
为在高度i处的大气风场矢量，
为落球在高度i处的阻力系数，A为落球的截面积，m为落球的质量，gi为落球在高度i处的垂直方向上的重力加速度分量，Vb为落球的体积，
为落球在高度i处的垂直方向上的科氏力加速度分量，
为落球在高度i处的垂直方向上的离心力加速度分量。
例如，可通过下面的公式来利用确定的落球在任一高度处的速度和第三阻力加速度来确定在所述任一高度处的大气风场。
公式(3)和(4)中，
和
分别为在高度i处的东西方向上的大气风场分量和南北方向上的大气风场分量，ρi为在高度i处的大气密度，
分别为落球在高度i处的东西方向(即x方向)、南北方向(即y方向)、垂直方向(即z方向)上的速度分量，
分别为落球在高度i处的东西方向、南北方向、垂直方向上的加速度分量，
分别为落球在高度i处的东西方向、南北方向、垂直方向上的科氏力分量，
分别为落球在高度i处的东西方向、南北方向、垂直方向上的重力加速度分量。
优选地，可基于计算得到的大气风场来对大气密度进行修正，以提高确定的大气密度的准确性。例如，可利用落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气风场，并将确定的在不同高度处的大气风场作为实际大气风场，基于落球在不同高度处的速度、第三阻力加速度、实际大气风场确定在不同高度处的大气密度。
例如，以上述示例为例，可先基于公式(2)计算出大气密度，此时，可基于大气风场模式来模拟获得在任一高度处的大气风场，或者，认为大气风场为零。然后将计算得到的大气密度代入到上述公式(3)和(4)中来计算大气风场，再将计算得到的大气风场作为实际大气风场代入到公式(2)中重新计算以得到高精度的大气密度。这里，由上述公式(2)、(3)、(4)可知，大气密度和大气风场的计算结果会相互影响，因此在上述计算过程中，将大气风场计算结果代入到公式(2)中以重新计算大气密度，能够在最大程度上减小由大气风场误差引起的大气密度计算误差。此后，还可将重新计算得到的大气密度结果代入公式(3)和公式(4)中来重新计算大气风场，以提高大气风场的计算精度。
例如，可基于大气密度来确定大气温度和气压。具体说来，可先通过上述方式确定在不同高度处的大气密度，利用确定的大气密度，通过大气静力学方程和理想气体状态方程确定大气温度和气压。
例如，可通过下面的公式来利用任一高度处的大气密度计算任一高度处的大气温度：
公式(5)中，Ti为高度i处的大气温度，Ta为预定基准高度a处的大气温度，作为示例，该预定基准高度可以取落球的抛球点高度，该预定基准高度处的大气温度可利用大气模式来进行估算，ρa为预定基准高度a处的大气密度，ρi为高度i处的大气密度，M为摩尔质量，R为理想气体常数，g为重力加速度。
例如，可利用理想气体状态方程来基于任一高度处的大气密度和大气温度来计算气压。
作为示例，理想气体状态方程可为：
Pi＝ρi·R/M·Ti (6)
公式(6)中，Pi为高度i处的气压，ρi为高度i处的大气密度，R为气体常数，M为摩尔质量，Ti为高度i处的大气温度。
优选地，针对上述存在由平滑滤波处理导致的系统偏差的情况下，利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数的步骤可包括：使用确定的系统偏差分别对落球的速度和第三阻力加速度进行修正，利用修正后的落球的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。例如，可将落球的速度和第三阻力加速度分别与系统偏差作和，利用与系统偏差作和之后的落球的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。
图4示出根据本发明示例性实施例的基于落球定位信息的大气参数测量设备的框图。应理解，在本发明示例性实施例中是基于落球法来测量大气参数的，例如，可利用火箭来搭载落球，并从预定高度(即，抛球点所在高度)抛出落球，本发明示例性实施例的基于落球定位信息的大气参数测量设备基于落球从抛球点开始的高度数据来探测大气参数。下面来参照图4介绍基于落球法来确定大气参数的过程。
如图4所示，根据本发明示例性实施例的基于落球定位信息的大气参数测量设备包括：模拟飞行轨迹确定单元10、第一阻力加速度确定单元20、高度观测仿真数据确定单元30、第二阻力加速度确定单元40、最优窗口宽度确定单元50、落球速度参数确定单元60和大气参数确定单元70。
具体说来，模拟飞行轨迹确定单元10基于落球的抛球点高度和抛球点速度，获得落球从抛球点被抛出的模拟飞行轨迹。
作为示例，模拟飞行轨迹确定单元10可首先获取落球的抛球点高度，然后再通过将获取的落球的抛球点高度对时间进行微分(如，将落球从抛球点高度开始经由一定时间的位移对时间进行微分)来获得落球的抛球点速度。
模拟飞行轨迹确定单元10可从火箭或者位置探测器获取落球的抛球点高度。优选地，位置探测器可布置在落球上，作为示例，位置探测器可包括全球定位系统(GPS)或雷达探测仪。
优选地，模拟飞行轨迹确定单元10在确定出落球的抛球点高度和抛球点速度之后，可基于落球的三维动力学模型来获得落球从抛球点被抛出的模拟飞行轨迹。例如，可利用落球的三维动力学模型，基于落球的抛球点速度、落球的截面积、落球的质量、阻力系数、大气密度、大气风场获得落球的模拟飞行轨迹。
第一阻力加速度确定单元20基于落球的模拟飞行轨迹确定落球在不同高度处的第一阻力加速度。
优选地，针对上述基于落球的三维动力学模型来获得落球的模拟飞行轨迹的情况，第一阻力加速度确定单元20可通过调整阻力系数、大气密度、大气风场中的至少一个参数，使得落球的模拟飞行轨迹与落球的实测飞行轨迹相近，得到落球的优化飞行轨迹，并基于落球的优化飞行轨迹确定落球在不同高度处的第一阻力加速度。
例如，第一阻力加速度确定单元20可基于落球的优化飞行轨迹获得落球的不同高度，通过将获得的落球的不同高度分别对时间进行微分来获得落球在不同高度处的速度，通过将落球在不同高度处的速度分别对时间进行微分来获得落球在不同高度处的加速度，再将落球在不同高度处的加速度减去落球在不同高度处的重力加速度、科氏力加速度、浮力加速度、离心力加速度可获得第一阻力加速度。
高度观测仿真数据确定单元30根据落球的实测飞行轨迹建立落球的高度观测仿真数据。
下面参照图5来介绍高度观测仿真数据确定单元30建立落球的高度观测仿真数据的过程。
图5示出根据本发明示例性实施例的高度观测仿真数据确定单元的框图。
如图5所示，根据本发明示例性实施例的高度观测仿真数据确定单元30可包括：实测飞行轨迹获取单元301、检测误差确定单元302和仿真数据建立单元303。
具体说来，实测飞行轨迹获取单元301通过位置探测器获取落球的实测飞行轨迹。优选地，位置探测器可被布置在落球上。但本发明不限于此，还可将位置探测器设置在落球之外的其他位置上，用以检测落球的实测飞行轨迹。
检测误差确定单元302确定位置探测器的检测误差。
仿真数据建立单元303基于检测的落球的实测飞行轨迹和确定的位置探测器的检测误差建立落球的高度观测仿真数据。例如，仿真数据建立单元303可通过将确定的位置探测器的检测误差与落球的实测飞行轨迹作和，来获得落球的高度观测仿真数据。
在一优选地示例中，确定的位置探测器的检测误差可包括在位置探测器的预定误差范围内的多个检测误差。这里，预定误差范围可为位置探测器出厂时所标定的该位置探测器的误差范围。在此情况下，仿真数据建立单元303可通过将所述多个检测误差分别与落球的实测飞行轨迹作和，获得落球的多组高度观测仿真数据。这里，落球的实测飞行轨迹可用一组数据表示，仿真数据建立单元303通过将所述多个检测误差分别与该组数据作和来获得落球的多组高度观测仿真数据。
返回图4，第二阻力加速度确定单元40通过平滑滤波基于建立的落球的高度观测仿真数据确定落球在不同高度处的第二阻力加速度。
针对上述存在落球的多组高度观测仿真数据的情况，第二阻力加速度确定单元40可对落球的所述多组高度观测仿真数据进行平滑滤波，并使用平滑滤波后的所述多组高度观测仿真数据确定落球在所述任一高度处与所述多组高度观测仿真数据分别对应的阻力加速度，将与所述多组高度观测仿真数据分别对应的阻力加速度的平均值作为落球在所述任一高度处的第二阻力加速度。
最优窗口宽度确定单元50根据第一阻力加速度与第二阻力加速度的比较结果确定与不同高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度。也就是说，在本发明示例性实施例中，平滑滤波的最优窗口宽度随高度变化。
优选地，最优窗口宽度确定单元50可通过调整平滑滤波的窗口宽度对落球的高度观测仿真数据进行平滑滤波，基于平滑滤波后的落球的高度观测仿真数据获得相应的落球在所述任一高度处的第二阻力加速度，找到使得第一阻力加速度与第二阻力加速度的差值最小的窗口宽度，将所述窗口宽度确定为与所述任一高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度。
这里，由于已经在图3中对最优窗口宽度确定单元50确定与任一高度对应的最优窗口宽度的过程进行了详细描述，本发明对此部分的内容不再赘述。
落球速度参数确定单元60以确定的与不同高度对应的最优窗口宽度对落球的实测飞行轨迹进行平滑滤波，并基于平滑滤波后的实测飞行轨迹确定落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度。
优选地，根据本发明示例性实施例的基于落球定位信息的大气参数测量设备可还包括：系统偏差确定单元，基于落球的实测飞行轨迹确定落球在不同高度处的实测阻力加速度，根据第二阻力加速度与确定的落球的实测阻力加速度的差值确定在不同高度处的系统偏差。
这里，落球速度参数确定单元60可通过将平滑滤波后的实测飞行轨迹对时间进行微分来获得落球在不同高度处的速度，再将落球在不同高度处的速度对时间进行微分来获得落球在不同高度处的第三阻力加速度，本发明对此部分的内容不再赘述。
大气参数确定单元70利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。
作为示例，大气参数可包括以下项中的至少一项：大气密度、大气风场、大气温度、气压。
例如，大气参数确定单元70可利用确定的落球在任一高度处的速度和第三阻力加速度确定在所述任一高度处的大气密度，还可利用确定的落球在任一高度处的速度和第三阻力加速度来确定在所述任一高度处的大气风场。
优选地，大气参数确定单元70可基于计算得到的大气风场来对大气密度进行修正，以提高确定的大气密度的准确性。例如，大气参数确定单元70可利用落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气风场，并将确定的在不同高度处的大气风场作为实际大气风场，基于落球在不同高度处的速度、第三阻力加速度、实际大气风场确定在不同高度处的大气密度。此后，还可基于此时计算的大气密度来重新计算大气风场，以提高大气风场的计算精度。
此外，大气参数确定单元70还可基于大气密度，通过大气静力学方程和理想气体状态方程确定大气温度和气压。
这里，由于已经在图1的步骤S60中对大气参数确定单元70确定大气密度、大气风场、大气温度和气压的方法进行了描述，本发明对此部分的内容不再描述。
优选地，针对上述存在由平滑滤波处理导致的系统偏差的情况下，大气参数确定单元70可使用确定的系统偏差分别对落球的速度和第三阻力加速度进行修正，利用修正后的落球的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。例如，可将落球的速度和第三阻力加速度分别与系统偏差作和，利用与系统偏差作和之后的落球的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。
根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述基于落球定位信息的大气参数测量方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
根据本发明的示例性实施例还提供一种计算装置。所述计算装置包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的基于落球定位信息的大气参数测量方法。
采用上述基于落球定位信息的大气参数测量方法和设备，使得平滑滤波的窗口宽度随高度的变化而连续变化，有效提高了探测大气参数的准确性。
此外，采用上述基于落球定位信息的大气参数测量方法和设备，基于落球的模拟飞行轨迹和带噪声的高度观测仿真数据来确定在不同高度处平滑滤波的最优窗口宽度，能够提高确定窗口宽度的准确性。
此外，采用上述基于落球定位信息的大气参数测量方法和设备，在测量大气参数的过程中引入了系统误差确定算法，能够使得所确定的大气参数的准确性得到进一步提高。
此外，采用上述基于落球定位信息的大气参数测量方法和设备，能够有效提高确定临近空间(例如，低热层、中间层和平流层)的大气参数的准确性，为对临近空间的大气环境的研究提供了有力的数据支撑。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。
Claims (20)
1.一种基于落球定位信息的大气参数测量方法，所述方法包括：
基于落球的抛球点高度和抛球点速度，获得落球从抛球点被抛出的模拟飞行轨迹；
基于落球的模拟飞行轨迹确定落球在不同高度处的第一阻力加速度；
根据落球的实测飞行轨迹建立落球的高度观测仿真数据，并通过平滑滤波基于建立的落球的高度观测仿真数据确定落球在不同高度处的第二阻力加速度；
根据第一阻力加速度与第二阻力加速度的比较结果确定与不同高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度；
以确定的与不同高度对应的最优窗口宽度对落球的实测飞行轨迹进行平滑滤波，并基于平滑滤波后的实测飞行轨迹确定落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度；
利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据落球的实测飞行轨迹建立落球的高度观测仿真数据的步骤包括：
通过位置探测器检测落球的实测飞行轨迹；
确定位置探测器的检测误差；
基于检测的落球的实测飞行轨迹和确定的位置探测器的检测误差建立落球的高度观测仿真数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定的位置探测器的检测误差包括在位置探测器的预定误差范围内的多个检测误差，基于检测的落球的实测飞行轨迹和确定的位置探测器的检测误差建立落球的高度观测仿真数据的步骤包括：
通过将所述多个检测误差分别与落球的实测飞行轨迹作和，获得落球的多组高度观测仿真数据，
其中，利用以下方式通过平滑滤波基于建立的落球的高度观测仿真数据确定落球在不同高度处中的任一高度处的第二阻力加速度：
对落球的所述多组高度观测仿真数据进行平滑滤波，并使用平滑滤波后的所述多组高度观测仿真数据确定落球在所述任一高度处与所述多组高度观测仿真数据分别对应的阻力加速度；
将与所述多组高度观测仿真数据分别对应的阻力加速度的平均值作为落球在所述任一高度处的第二阻力加速度。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述位置探测器被布置在落球上。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过以下方式来根据第一阻力加速度与第二阻力加速度的比较结果确定与不同高度中的任一高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度：
通过调整平滑滤波的窗口宽度对落球的高度观测仿真数据进行平滑滤波，基于平滑滤波后的落球的高度观测仿真数据获得相应的落球在所述任一高度处的第二阻力加速度，找到使得第一阻力加速度与第二阻力加速度的差值最小的窗口宽度，将所述窗口宽度确定为与所述任一高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述大气参数包括以下项中的至少一项：大气密度、大气风场、大气温度、气压。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数的步骤包括：
利用落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气风场，并将确定的在不同高度处的大气风场作为实际大气风场；
基于落球在不同高度处的速度、第三阻力加速度、实际大气风场确定在不同高度处的大气密度。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数的步骤包括：
利用落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气密度，利用确定的大气密度，通过大气静力学方程和理想气体状态方程确定大气温度和气压。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：
基于落球的实测飞行轨迹确定落球在不同高度处的实测阻力加速度；
根据第二阻力加速度与确定的落球的实测阻力加速度的差值确定在不同高度处的系统偏差，
其中，利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数的步骤包括：
使用确定的系统偏差分别对落球的速度和第三阻力加速度进行修正；
利用修正后的落球的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。
10.一种基于落球定位信息的大气参数测量设备，所述设备包括：
模拟飞行轨迹确定单元，基于落球的抛球点高度和抛球点速度，获得落球从抛球点被抛出的模拟飞行轨迹；
第一阻力加速度确定单元，基于落球的模拟飞行轨迹确定落球在不同高度处的第一阻力加速度；
高度观测仿真数据确定单元，根据落球的实测飞行轨迹建立落球的高度观测仿真数据；
第二阻力加速度确定单元，通过平滑滤波基于建立的落球的高度观测仿真数据确定落球在不同高度处的第二阻力加速度；
最优窗口宽度确定单元，根据第一阻力加速度与第二阻力加速度的比较结果确定与不同高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度；
落球速度参数确定单元，以确定的与不同高度对应的最优窗口宽度对落球的实测飞行轨迹进行平滑滤波，并基于平滑滤波后的实测飞行轨迹确定落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度；
大气参数确定单元，利用确定的落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，高度观测仿真数据确定单元包括：
实测飞行轨迹获取单元，通过位置探测器获取落球的实测飞行轨迹；
检测误差确定单元，确定位置探测器的检测误差；
仿真数据建立单元，基于检测的落球的实测飞行轨迹和确定的位置探测器的检测误差建立落球的高度观测仿真数据。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，确定的位置探测器的检测误差包括在位置探测器的预定误差范围内的多个检测误差，
其中，仿真数据建立单元通过将所述多个检测误差分别与落球的实测飞行轨迹作和，获得落球的多组高度观测仿真数据，
其中，第二阻力加速度确定单元对落球的所述多组高度观测仿真数据进行平滑滤波，并使用平滑滤波后的所述多组高度观测仿真数据确定落球在不同高度处中的任一高度处与所述多组高度观测仿真数据分别对应的阻力加速度，将与所述多组高度观测仿真数据分别对应的阻力加速度的平均值作为落球在所述任一高度处的第二阻力加速度。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述位置探测器被布置在落球上。
14.根据权利要求10所述的设备，其中，最优窗口宽度确定单元通过调整平滑滤波的窗口宽度对落球的高度观测仿真数据进行平滑滤波，基于平滑滤波后的落球的高度观测仿真数据获得相应的落球在不同高度中的任一高度处的第二阻力加速度，找到使得第一阻力加速度与第二阻力加速度的差值最小的窗口宽度，将所述窗口宽度确定为与所述任一高度对应的平滑滤波的最优窗口宽度。
15.根据权利要求10所述的设备，其中，所述大气参数包括以下项中的至少一项：大气密度、大气风场、大气温度、气压。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，大气参数确定单元利用落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气风场，并将确定的在不同高度处的大气风场作为实际大气风场，基于落球在不同高度处的速度、第三阻力加速度、实际大气风场确定在不同高度处的大气密度。
17.根据权利要求15所述的设备，其中，大气参数确定单元利用落球在不同高度处的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气密度，利用确定的大气密度，通过大气静力学方程和理想气体状态方程确定大气温度和气压。
18.根据权利要求10所述的设备，其中，所述设备还包括：系统偏差确定单元，基于落球的实测飞行轨迹确定落球在不同高度处的实测阻力加速度，根据第二阻力加速度与确定的落球的实测阻力加速度的差值确定在不同高度处的系统偏差，
其中，大气参数确定单元使用确定的系统偏差分别对落球的速度和第三阻力加速度进行修正，利用修正后的落球的速度和第三阻力加速度确定在不同高度处的大气参数。
19.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1-9中的任意一项所述的基于落球定位信息的大气参数测量方法。
20.一种计算装置，其特征在于，所述计算装置包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-9中的任意一项所述的基于落球定位信息的大气参数测量方法。
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