CN111025243B - 一种基于参数优化的大气折射误差实时修正方法 - Google Patents

一种基于参数优化的大气折射误差实时修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及航天器测控技术领域，提供了一种基于参数优化的大气折射误差实时修正方法，包括：根据测站附近历史测量数据，选择一种合适的大气折射率高度分布模式，并确定其历史经验参数；外测设备跟踪恒星，输出并记录经纬仪测量系的测角数据，同时获取恒星地固系的精确星历数据，并转换为外测设备测量系的理论测元数据；建立模式参数优化方程组；以模式参数的历史经验值为参考值，对优化方程组进行数值求解，得到优化后的模式参数；利用优化后的模式参数对外测设备的测角数据进行实时修正。本发明具有成本低廉、计算量小、精度高、实时性好等优势，有效提高外测设备等测量设备的测量精度，可以作为一种测控系统大气折射误差修正的常规方法。

Description

一种基于参数优化的大气折射误差实时修正方法
技术领域
本发明属于航天测控技术领域，涉及一种基于参数优化的大气折射误差实时修正方法。
背景技术
由于地球大气折射率在高度上的分布不均匀，电磁波(例如微波或者光波)在大气中的传输路线将发生弯曲。因此，当使用地基或者海基的外测设备(例如微波雷达或者光电经纬仪)对空间目标进行观测时，获得的直接测角数据与目标的实际高度角存在一定的偏差，即大气折射误差。大气折射误差是空间目标观测过程中的重要误差，需进行修正以获得高精度的探测数据。目前常见的大气折射误差修正方法有两种：一种是利用施放探空气球获得大气的实时剖面，然后通过高斯分层积分获得大气折射误差修正量。该方法可以比较准确地获得大气折射率的高度分布，误差修正精度较高，但是成本较高、计算量大，因而主要应用在事后数据处理中。另一种是利用简化修正的经验公式对大气折射误差进行修正。该方法计算量小、成本低，主要用在探测过程中对大气折射误差的实时修正，但是修正的精度较低，难以满足日益增长的探测精度需求。综上所述，目前主要的大气折射误差修正方法均存在不足，需要研究一种成本低、实时性好、精度高的大气折射误差修正方法。
引用文献：
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李振锋，一种新的大气折射率剖面模型构建方法，强激光与粒子束，2015，27(10)：第103255页。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种成本低、实时性好、精度高的大气折射误差修正方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种基于参数优化的大气折射误差实时修正方法包，括以下步骤：
S1、根据测站附近历次大气折射率探空测量数据，选择一种合适的大气折射率高度分布模式，并确定其参数的历史经验值；
S2、外测设备(例如光电经纬仪或者雷达)跟踪恒星，输出并记录设备测量系的测角数据Eci(i＝1,...,n)，n为跟踪恒星的总点数。同时获取相同时间段恒星地固系的精确星历数据(xei,yei,zei)；
S3、将恒星地固系的精确星历数据(xei,yei,zei)转换为外测设备测量系的理论测元数据Egi；
S4、以S1中获得的大气折射率高度分布模式参数为优化对象，利用高斯分层积分法计算外测设备测角误差，建立模式参数优化方程组；
S5、以模式参数的历史经验值为参考值，对大气折射高度分布模式参数优化方程组进行数值求解，得到优化后的模式参数；
S6、在随后的探测工作中，利用优化后的模式参数对外测设备的测角数据进行实时修正，得到高精度的测量结果。
优选的，所述步骤S1具体操作如下：
S11、选择一种比较适合局部区域特点大气折射率分布模式。对于陆地干旱地区的测站，可以选用指数模型；对于海基测站，则可以选用双指数模型；此处以海基测控平台为例，可选用双指数模型：
Figure BDA0002278711100000031
其中，h为高度，Nd(h)和Nw(h)分别为高度h处湿项和干项折射率，Nd0和Nw0分别为地表的湿项和干项折射率，Hd和Hw分别为湿项和干项折射率的特征高度；
特别的，大气折射率分布模式可以有多种选择，并不局限于所述双指数模型；
S12、根据历次的大气折射率高度分布探测数据，例如利用多次历史探空气球获得的折射率剖面数据，与S11中的双指数模型进行拟合，获得参数的历史经验值(Nd0r,Nw0r,Hdr,Hwr)。
优选的，所述步骤S2中：
外测设备跟踪恒星，输出并记录设备测量系的测角数据Eci(i＝1,...,n)，n为恒星的总数目。同时获取相同时间段恒星地固系的精确星历数据(xei,yei,zei)。
特别的，外测设备可以跟踪恒星，也可以跟踪已知其精确轨道数据的高轨卫星等人造空间目标。
优选的，所述步骤S3具体操作如下：
S31、将地固系恒星的精确星历数据(xei,yei,zei)转换至外测设备测量系，得到直角坐标的星历数据
Figure BDA0002278711100000032
其中
Figure BDA0002278711100000033
Figure BDA0002278711100000041
为测站的天文经纬度；
S32、将恒星的精确星历数据(xci,yci,zci)从外测设备测量系直角坐标系转换至极坐标系，得到Egi
Figure BDA0002278711100000042
其中，Egi为目标恒星的真实高度角。
优选的，所述步骤S4具体操作如下：
S41、根据折射率高度分布剖面，计算目标恒星的等效地心角
Figure BDA0002278711100000047
Figure BDA0002278711100000043
其中,n0测站地面大气折射率,h0为地球半径，Eci为目标恒星的视在高度角，n(h)＝1+N(h)为h处大气折射指数，hm为目标恒星的等效地心距。
S42、由等效地心角
Figure BDA0002278711100000044
计算目标恒星的测量高度角Emi
Figure BDA0002278711100000045
S43、建立以模式参数为未知量(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)的参数待估方程组：
Figure BDA0002278711100000046
其中，由于待估参数数目为4，所以n＞4，fi(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)是式(1)(4)(5)联立获得的目标恒星测量高度角，可以表示为：
Figure BDA0002278711100000051
其中，(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)即为待求的优化模式参数。
优选的，所述步骤S5具体操作如下：
以模式参数的历史经验值(Nd0r,Nw0r,Hdr,Hwr)为参考，对式(6)的超定方程组进行数值求解，在求解误差小于设定值ε时，即认为获得了有效的优化后模式参数。
优选的，所述步骤S6具体操作如下：
S61、外测设备跟踪待测空间目标，输出并记录经纬仪测量系的测角数据Erci(i＝1,...,n)，n为数据个数；
S62、利用优化后模式参数(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)，根据式(7)计算获得修正后的测量高度角fi(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)；由于式(7)的计算量较小，可以直接实时输出修正后目标在经纬仪测量系的高精度测角数据。
本发明的优点和有益效果在于：该发明实现了方法基于参数优化的大气折射误差实时修正技术。在每次探测工作开始前，利用恒星精确实测数据对大气折射率高度分布模式历史经验参数进行优化，既避免了使用探空气球等常规测量手段，又可以获得特定区域、特定时间段大气折射率高度分布情况，成本低廉，操作简单、时效性好。同时误差修正的精度明显高于目前常见的简化修正经验公式，且计算量小，便于进行实时修正。因此，本发明具有成本低廉、计算量小、精度高、实时性好等优势，能够适应不同地域、气候、季节的大气折射误差修正需求，有效提高外测设备的测量精度，可以作为一种测控系统大气折射误差修正的常规方法。
本发明提出一种基于参数优化的大气折射误差实时修正方法。发明思路如下：根据测站所处的环境选择一种合适的大气折射率高度分布模式，利用高斯分层积分法对大气折射误差进行修正。由于此方法的计算量低、实现简单，所以便于运用到大气折射误差的实时修正中。所选的大气折射率高度分布模式参数的值决定着修正误差的精度，且由于测站所处的大气环境是变化的，因此需要对模式参数进行因地制宜的优化，以确保获得高精度的误差修正。可通过建立误差方程组并数值求解的方式获得优化后的模式参数值，而误差方程组的数值求解过程中需要给出参考值以保证求解有效。因而，本发明提出利用测站附近的历史大气探空数据进行拟合获得模式参数的历史经验值，在模式参数优化求解时提供重要参考。通过上述方法，可以低成本、高时效、高精度地对大气折射误差进行修正。
附图说明
图1是本发明基于参数优化的大气折射误差实时修正方法实施流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明所述基于参数优化的大气折射误差实时修正方法包括以下步骤：
S1、根据测站附近历次大气折射率探空测量数据，选择一种合适的大气折射率高度分布模式，并确定其参数的历史经验值；具体操作如下：
S11、选择一种比较适合局部区域特点大气折射率分布模式，例如在海基测控平台，可选用双指数模型：
Figure BDA0002278711100000071
其中，h为高度，Nd(h)和Nw(h)分别为高度h处湿项和干项折射率，Nd0和Nw0分别为地表的湿项和干项折射率，Hd和Hw分别为湿项和干项折射率的特征高度。
S12、根据历次的大气折射率高度分布探测数据，例如利用多次历史探空气球获得的折射率剖面数据，与S11中的双指数模型进行拟合，获得参数的历史经验值(Nd0r,Nw0r,Hdr,Hwr)。
S2、外测设备跟踪恒星，输出并记录其测量系的测角数据Eci(i＝1,...,n)，n为恒星的总数目。同时获取相同时间段恒星地固系的精确星历数据(xei,yei,zei)；
S3、将恒星地固系的精确星历数据(xei,yei,zei)转换为外测设备测量系的理论测元数据Egi；具体操作如下：
S31、将地固系恒星的精确星历数据(xei,yei,zei)转换至外测设备测量系，得到直角坐标的星历数据
Figure BDA0002278711100000072
其中
Figure BDA0002278711100000073
Figure BDA0002278711100000081
为测站的天文经纬度，
Figure BDA0002278711100000082
为测站原点在地固系中的位置坐标。
S32、将恒星的精确星历数据(xci,yci,zci)从外测设备测量系直角坐标系转换至极坐标系，得到Egi
Figure BDA0002278711100000083
其中，Egi为目标恒星的真实高度角。
S4、以S1中获得的大气折射率高度分布模式参数为优化对象，利用高斯分层积分法计算外测设备测角误差，建立模式参数优化方程组；具体操作如下：
S41、根据折射率高度分布剖面，计算目标恒星的等效地心角
Figure BDA0002278711100000088
Figure BDA0002278711100000084
其中,n0测站地面大气折射率,h0为地球半径，Eci为目标恒星的视在高度角，n(h)＝1+N(h)为h处大气折射指数，hm为目标恒星的等效地心距。
S42、由等效地心角
Figure BDA0002278711100000085
计算目标恒星的测量高度角Emi
Figure BDA0002278711100000086
S43、建立以模式参数为未知量(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)的参数待估方程组：
Figure BDA0002278711100000087
其中，由于待估参数数目为4，所以n＞4，fi(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)是式(1)(4)(5)联立获得的目标恒星测量高度角，可以表示为：
Figure BDA0002278711100000091
其中，(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)即为待求的优化模式参数。
S5、以模式参数的历史经验值为参考值，对大气折射高度分布模式参数优化方程组进行数值求解，得到优化后的模式参数；具体操作如下：
以模式参数的历史经验值(Nd0r,Nw0r,Hdr,Hwr)为参考，对式(6)的超定方程组进行数值求解，在求解误差小于设定值ε时，即认为获得了有效的优化后模式参数(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)。
S6、在随后的探测工作中，利用优化后的模式参数对外测设备的测角数据进行实时修正，得到高精度的测量结果。具体操作如下：
S61、外测设备跟踪待测空间目标，输出并记录经纬仪测量系的测角数据Erci(i＝1,...,n)，n为数据个数。
S62、利用优化后模式参数(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)，根据式(7)计算获得修正后的测量高度角fi(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)。由于式(7)的计算量较小，可以直接实时输出修正后目标在测量系的高精度测角数据。
综上可知，本发明具有成本低、计算量小、精度高、实时性好等优势，能够适应不同地域、气候、季节的大气折射误差修正需求，有效提高外测设备的测量精度，可以作为一种测控系统大气折射误差修正的常规方法。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (2)

1.一种基于参数优化的大气折射误差实时修正方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1、根据测站附近历次大气折射率探空测量数据，选择一种合适的大气折射率高度分布模式，并确定其历史经验参数；
所述步骤S1具体操作如下：
S11、根据测站附近历次大气折射率探空测量数据，选择一种适合局部区域特点的大气折射率分布模式，在海基测控平台，选用双指数模型：
N(h)＝Nd(h)+Nw(h) (1)
Figure FDA0003501471880000011
Figure FDA0003501471880000012
其中，h为高度，Nd(h)和Nw(h)分别为高度h处湿项和干项折射率，Nd0和Nw0分别为地表的湿项和干项折射率，Hd和Hw分别为湿项和干项折射率的特征高度；
S12、根据历次的大气折射率高度分布探测数据，利用多次历史探空气球获得的折射率剖面数据，与S11中的双指数模型进行拟合，获得参数的历史经验值(Nd0r,Nw0r,Hdr,Hwr)；
S2、外测设备跟踪恒星，输出并记录设备测量系的测角数据，同时获取相同时间段恒星地固系的精确星历数据；
S3、将获取的恒星地固系的精确星历数据转换为外测设备测量系的理论测元数据；具体操作如下：
S31、将地固系恒星的精确星历数据(xei,yei,zei)转换至外测设备测量系，得到直角坐标的星历数据
Figure FDA0003501471880000021
其中
Figure FDA0003501471880000022
Figure FDA0003501471880000023
为测站的天文经纬度，
Figure FDA0003501471880000024
为测站原点在地固系中的位置坐标；
S32、将(xci,yci,zci)从外测设备测量系直角坐标系转换至极坐标系，得到Egi
Figure FDA0003501471880000025
其中，Egi为目标恒星的真实高度角；
S4、以S1中获得的大气折射率高度分布模式参数为优化对象，建立模式参数优化方程组；
所述步骤S4具体操作如下：
S41、根据折射率高度分布剖面，计算目标恒星的等效地心角
Figure FDA0003501471880000026
Figure FDA0003501471880000027
n为数据个数；
Figure FDA0003501471880000028
其中，n0测站地面大气折射率，h0为地球半径，Eci为目标恒星的视在高度角，n(h)＝1+N(h)为h处大气折射指数，hm为目标恒星的等效地心距；
S42、由等效地心角
Figure FDA0003501471880000029
计算目标恒星的测量高度角Emi
Figure FDA00035014718800000210
S43、建立以模式参数为未知量(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)的参数待估方程组：
Egi-fn(Nd0c，Nw0c，Hdc，Hwc)＝0 (6)
其中，由于待估参数数目为4，所以n>4，fi(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)是式(1)(4)(5)联立获得的目标恒星测量高度角，表示为：
Figure FDA0003501471880000031
其中，(Nd0c,Nw0c,Hdc,Hwc)即为待求的优化模式参数；
S5、以模式参数的历史经验值为参考值，对大气折射高度分布模式参数优化方程组进行数值求解，得到优化后的模式参数；
S6、利用优化后的模式参数对外测设备的测角数据进行实时修正。
2.如权利要求1所述的基于参数优化的大气折射误差实时修正方法，其特征在于，所述步骤S2中：
外测设备跟踪恒星，输出并记录设备测量系的测角数据Eti，i＝1，...，n，n为恒星的总数目，同时获取相同时间段恒星地固系的精确星历数据(xei,yei,zei)。
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