星光大气折射弯曲角修正方法

本发明涉及大气探测和空间，具体涉及星光大气折射弯曲角修正方法。

背景技术：

1、当星光经过地球边缘的大气层时，由于大气密度的不均匀性导致星光在大气中传播时不是一条直线，而是一条朝向地心弯曲的曲线，这种现象被称为星光大气折射。星光大气折射导致从观测位置处观测到的天体目标的视位置和真位置存在测角偏差，因此需要构建模型来减小甚至抵消掉大气折射的影响。

2、由于星光大气折射的存在，会影响雷达对目标的定位和测速功能，同时，星光大气折射弯曲角会直接影响星光折射自主导航的精度，由于大气密度的不均匀性导致星光朝向地心弯曲，星光折射的大小和方向是卫星位置矢量的函数，利用折射星像素坐标、星光折射角和折射视高度为量测量，结合轨道动力学模型进行滤波，可以获取卫星的位置信息。如公开号为cn111879316a公开的一种卫星对地观测中大气折射导致光线弯曲的改正方法等国内外现用的星光折射模型通常存在一定的局限性，使得利用星光折射导航定位精度大打折扣，对不同传输路径下星光折射建模技术进行深入研究，可提高星光折射导航定位精度。

3、目前在视天顶距小于70°时，可以得到与实际情况相符的星光大气折射修正误差，而针对低仰角情况（视天顶距在70°–90°范围，视天顶距与仰角互余），尤其在接近地平时，目前研究较少，因此开展0–90°视天顶距范围内，尤其是低仰角的星光大气折射弯曲角高精度修正是目前该领域的研究重点也是难点。

4、另外，在目前计算大气折射弯曲角的模型中，假设对流层的温度从海平面以恒定的速率下降到对流层顶，并且在这个高度以上，温度基本上保持恒定，直到到达20 km以上的平流层，因此目前大多数模型在对星光大气折射弯曲角修正时，要求的飞行器飞行高度有限（~20 km以下），难以实现全高程星光大气折射弯曲角的修正，而且精度较低。开展适用于任意高度全视天顶距条件下的星光大气折射弯曲角修正方法研究，有利于促进该领域的发展。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，实现任意观测高度、0°–90°视天顶距条件下，对星光大气折射弯曲角的修正，克服已有的星光大气折射修正方法观测高度受限，观测角度受限，测量精度低的缺陷，提供一种能有效提高精度，并且适用于任意观测高度和视天顶距的星光大气折射弯曲角修正方法。

2、本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：星光大气折射弯曲角修正方法包括以下步骤：

3、步骤一：对地球大气进行分层，不同大气分层的折射率不同；

4、步骤二：进行各大气分层的压强值；

5、步骤三：计算各大气分层的折射率；

6、步骤四：计算星光传输路径上各大气分层的视天顶距；

7、步骤五：计算各大气分层的折射率梯度；

8、步骤六：根据步骤一至步骤五计算的数据信息，结合数值积分的梯形运算法则，进行任意高度全视天顶距条件下的星光大气折射弯曲角的求解。

9、所述步骤一中设定地球大气满足球形对称结构，飞行器飞行高度为hkm，假设星光在距地表300 km以上折射不会发生，按照等高对地球大气进行分层，同层大气折射率是一个常数，不同大气分层折射率不同。

10、对地球大气进行分层的分层数num计算公式如下：

11、（1）

12、分层后每一大气分层高度hi计算公式如下：

13、（2）

14、式中，i为当前大气分层层数，i=1，2，3…num。

15、所述步骤二中基于nrlmsis 2.0模型给出各大气分层的温度和总质量密度，并结合空气密度计算公式，求出各大气分层的压强值。

16、大气分层的压强值p的计算公式如下：

17、(3)

18、其中，p0表示一个标准大气压， t表示基于nrlmsis 2.0模型计算的实际绝对温度，单位：k，ρ表示气体总质量密度，单位kg/m3。

19、所述大气分层的折射率n计算公式如下：

20、(4)

21、其中，，t表示大气温度， e表示水汽压。

22、星光传输路径上各大气分层的视天顶距z基于如下公式计算：

23、(7)；

24、其中，表示飞行器观测位置处的折射率，表示飞行器到地心的距离，表示为，表示飞行器位置处的视天顶距，表示第i层大气分层高度处的折射率，表示第i层大气分层高度处的地心距离，表示为，表示第i层大气分层处的视天顶距。

25、步骤五中基于获取的各大气分层的折射率，利用e指数模型拟合该地球大气折射率廓线，得到具体的地球大气折射率e指数形式，从而计算各大气分层的折射率梯度。

26、折射度e指数模型如下，

27、(8)

28、其中，表示飞行器位置处的折射度，表示为，r表示各大气分层到地心的距离，表示飞行器到地心的距离，β表示拟合参数，通过拟合步骤三获取的地球大气折射率廓线得到；则第i层大气分层的折射率梯度表示为：

29、(9)

30、其中，dr表示地心距的极小量。

31、星光大气折射弯曲角的具体形式为：

32、(11)

33、结合数值积分的梯形运算法则，通过梯形近似估计曲线下的面积，令，实现任意高度全视天顶距条件下的星光大气折射弯曲角的求解如下所示，

34、(12)。

35、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明假设地球大气满足球形对称结构，按照等高对地球大气进行分层，同层大气折射率是一个常数，不同大气分层折射率不同，基于nrlmsis 2.0模型给出各大气分层的温度和总质量密度，结合空气密度计算公式，求出各大气分层的压强，从而得到各大气分层的折射率，根据球对称大气条件下的snell定律，求出星光传输路径上各大气分层的视天顶距；利用e指数模型拟合基于nrlmsis2.0模型计算得到的地球大气折射率廓线，从而给出各大气分层的折射率梯度；结合各大气分层的折射率、折射率梯度、各大气分层到地心的距离和各大气分层的视天顶距，利用梯形运算法则，实现星光大气折射弯曲角的求解。该方法可以克服其他模型探测高度有限、视天顶距有限的弊端，实现任意高度，全视天顶距范围内星光大气折射弯曲角的高精度修正。

技术特征：

1.一种星光大气折射弯曲角修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的星光大气折射弯曲角修正方法，其特征在于，所述步骤一中设定地球大气满足球形对称结构，飞行器飞行高度为hkm，假设星光在距地表300 km以上折射不会发生，按照等高对地球大气进行分层，同层大气折射率是一个常数，不同大气分层折射率不同。

3.根据权利要求2所述的星光大气折射弯曲角修正方法，其特征在于，对地球大气进行分层的分层数num计算公式如下：

4.根据权利要求2所述的星光大气折射弯曲角修正方法，其特征在于，所述步骤二中基于nrlmsis 2.0模型给出各大气分层的温度和总质量密度，并结合空气密度计算公式，求出各大气分层的压强值。

5.根据权利要求4所述的星光大气折射弯曲角修正方法，其特征在于，大气分层的压强值p的计算公式如下：

6.根据权利要求5所述的星光大气折射弯曲角修正方法，其特征在于，所述大气分层的折射率n计算公式如下：

7.根据权利要求6所述的星光大气折射弯曲角修正方法，其特征在于， 星光传输路径上各大气分层的视天顶距z基于如下公式计算：

8.根据权利要求7所述的星光大气折射弯曲角修正方法，其特征在于，步骤五中基于获取的各大气分层的折射率，利用e指数模型拟合该地球大气折射率廓线，得到具体的地球大气折射率e指数形式，从而计算各大气分层的折射率梯度。

9.根据权利要求8所述的星光大气折射弯曲角修正方法，其特征在于，折射度e指数模型如下，

10.根据权利要求4所述的星光大气折射弯曲角修正方法，其特征在于，星光大气折射弯曲角的具体形式为：

技术总结本发明涉及大气探测和空间技术领域，具体涉及星光大气折射弯曲角修正方法，包括以下步骤：步骤一：对地球大气进行分层，不同大气分层的折射率不同；步骤二：进行各大气分层的压强值；步骤三：计算各大气分层的折射率；步骤四：计算星光传输路径上各大气分层的视天顶距；步骤五：计算各大气分层的折射率梯度；步骤六：根据步骤一至步骤五计算的数据信息，结合数值积分的梯形运算法则，进行任意高度全视天顶距条件下的星光大气折射弯曲角的求解，克服已有的星光大气折射修正方法观测高度受限，观测角度受限，测量精度低的缺陷，提供一种能有效提高精度，并且适用于任意观测高度和视天顶距的星光大气折射弯曲角修正方法。技术研发人员：余道淳,白文卓,郭永豪,张宇,鲁建涛受保护的技术使用者：济宁学院技术研发日：技术公布日：2024/9/12