CN113552544B - 一种面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法,属于航天测控领域。本发明基于分层积分迭代思想,设计了一种可用于实时任务的雷达电波折射的误差修正方法,旨在提高实时雷达设备测元精度,通过地面采集的温湿压数据,利用Hopfield模型计算不同高度的对流层折射率,并拟合目标相对测站高度的初始值计算系数,再通过一次积分即可获取火箭视在距离及火箭真实高度,最后得到雷达测距、俯仰的大气折射修正值。为进一步提升算法计算效率,特别是火箭飞行高度较高时的积分计算速度,采用更易于计算机运行实现的高斯积分法,计算中使用高斯积分常数,达到提升积分效率的目的,本方法修正精度远高于现有实时经验修正模型。
Description
技术领域
本发明属于航天测控领域,具体涉及一种面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法。
背景技术
电波折射修正误差是外测数据处理中最重要的误差源之一,其中电波折射率模型和电波折射修正方法,是影响电波折射修正精度的重要方面。当前航天测控中心电波折射修正方法已形成一套比较完整的体系,主要是2类电波折射修正模型,一类是在事后数据处理中使用的精确修正模型——分层积分法;另一类是在实时任务中使用的简化修正经验公式。分层积分法是一种具有较高精度的电波折射修正方法,它基于大气球面分层理论,假设大气结构在水平方向是均匀的,并通过施放探空气球等方式来获得大气的实时气象剖面数据,然后通过分层积分获得电波折射的修正量。由于该方法需要进行迭代数值积分,当火箭飞行高度较高时,迭代积分次数较多,计算量较大,在观测俯仰角较低时,还可能出现迭代不收敛的情况,因此此方法一般只在事后数据处理中。实时任务则是采用简化修正经验模型,使用地面测站的气象参数或者经验值进行简化计算,但修正结果存在一定偏差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法,以解决雷达电波折射积分迭代误差修正的修正结果存在偏差的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提出一种面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法,该方法包括如下步骤:
S1、通过地面采集的温湿压数据,利用Hopfield模型计算不同高度的折射率;
S2、由雷达实测俯仰角和测距,计算目标相对测站高度的初始值,并对雷达3°以上俯仰角的数据进行修正;
S3、根据得到的目标初始高度值、折射率,积分迭代得到视在距离;
S4、由迭代计算得到的视在距离,计算目标真实地心距;
S5、根据得到目标真实地心距,积分迭代得到目标与测站间的真实地心角;
S6、根据得到的目标与测站间的真实地心角,计算真实距离和真实俯仰角;
S7、根据雷达测量的目标测距以及俯仰角,以及得到的真实距离和真实俯仰角,计算距离修正量与俯仰角折射修正量。
进一步地,所述步骤S1具体包括:
输入:设备海拔高度h0,雷达测量站的地面温度t0,单位为℃,雷达测量站地面大气压p0,单位为mbar,雷达测量站地面相对湿度f0,跟踪目标海拔高度h,Hopfield模型湿项等效高度常量hw=11000米;
输出:高度为h的电波折射率n(h)
利用Hopfield模型思想,将大气折射指数分为干、湿两项,并表示为目标高度的四次方函数,计算得到不同高度h的折射率n(h)
n(h)=1+N(h)×10-6
其中N(h)为总的大气折射指数,Nd(h)、Nw(h)分别为干、湿两项折射指数,对应的计算方法如下
N(h)=Nd(h)+Nw(h)
hd为干项等效高度,单位为米,hd计算公式如下
hd=40136+148.72×(T0-273.16)
N0d、N0w分别表示测站地面的干项和湿项折射指数,计算方法如下
N0d=77.6p0/T0
N0w=3.73×105×e0/T0 2
上式e0为水气压,单位为mbar,T0为雷达测量站的地面开氏温度,计算方法如下
进一步地,所述步骤S2具体包括:
输入:雷达实测俯仰角Ee0,雷达实测测距Ra,测站到地心的距离r0,r0=6371393+h0,6371393为地球平均半径,单位为米,h0为雷达设备海拔高度常量,Q*为比例系数常量
输出:目标相对测站高度的初始值hc
由雷达实测俯仰角Ee0和测距Ra,计算目标相对测站高度的初始值hc;由于雷达的保精度跟踪俯仰角为5°以上,因此本方法对雷达3°以上俯仰角的数据进行修正,计算公式如下:
其中Q*为比例系数,正常情况下实测俯仰角Ee0和测距Ra会比真实值大,因此需要使用Q*比例系数取消除这种差异。
进一步地,实时任务中,Q*=0.95~0.97。
进一步地,所述步骤S3具体包括:
输入:目标初始高度值hc,电离层的起始高度常量hE,取值为60km,高斯积分常数值Ck,地心距为rkj的电波折射率n(rkj),测站到地心的距离r0,雷达站地面电波折射指数n0,雷达实测俯仰角Ee0;
输出:视在距离
根据得到的目标初始高度值hc,积分迭代得到视在距离其中地心距为rkj的电波折射率n(rkj)以及雷达站地面电波折射指数n0通过步骤1的公式计算得到,输入高度值分别为rkj-6371393与r0-6371393;
当hc≤hE时,视在距离的计算公式如下
当hc>hE时,电离层高度外的折射率基本为1;因此将视在距离的计算分为两段(0,hE)与(hE,hc),其计算公式如下
其中
rkj=100j+UkΔrj,为高斯积分迭代时不同高度的地心距,
为分层区间,单位为米,
为高斯积分迭代次数,“[]”表示取整;
Ck,Uk为高斯积分常数值,相应的数值如下:
C1=0.1739274225 U1=0.0694318442
C2=0.3260725775 U2=0.3300094782
C3=0.3260725775 U3=0.6699905218
C4=0.1739274225 U4=0.9305681558。
进一步地,所述步骤S3采用采用计算机运行实现的高斯积分法计算。
进一步地,所述步骤S4具体包括:
输入:视在距离雷达实测测距Ra,目标初始高度值hc,测站到地心的距离r0,雷达站地面电波折射指数n0,雷达实测俯仰角Ee0,地心距为r0+hc的电波折射率n(r0+hc)
输出:目标真实地心距hT
由上面迭代计算得到的视在距离计算目标真实地心距hT:
其中θc为射线在hc处的仰角,由于存在n(r0+hc)·(r0+hc)·cos(θc)=n0r0cos(Ee0),θc的计算方法如下:
地心距为r0+hc的电波折射率n(r0+hc)可通过步骤S1的公式计算得到,输入高度值为r0+hc-6371393。
进一步地,所述步骤S5具体包括:
输入:目标真实地心距hT,电离层的起始高度常量hE,取值为60km,,高斯积分常数值Ck,地心距为rkj的电波折射率n(rkj),测站到地心的距离r0,雷达站地面电波折射指数n0,雷达实测俯仰角Ee0
输出:目标与测站间的真实地心角
根据步骤S4得到目标真实地心距hT,积分迭代得到真实地心角地心距为rkj电波折射率n(rkj)、雷达站地面电波折射指数n0的计算方法同步骤S3;高斯积分常数值Ck与步骤S3一致;
当hT≤hE时
当hT>hE时,可将计算分为两段(0,hE)与(hE,hT),
其中
rkj=100j+UkΔrj,为高斯积分迭代时不同高度的地心距,
为分层区间,单位为米,
为高斯积分迭代次数,“[]”表示取整。
进一步地,所述步骤S6具体包括:
输入:目标与测站间的真实地心角目标真实地心距hT,测站到地心的距离r0;
输出:真实距离R0,真实俯仰角E0
根据步骤S5计算得到的目标与测站间的真实地心角计算真实距离R0和真实俯仰角E0,其计算公式如下;
进一步地,所述步骤S7具体包括:
输入:真实距离R0,真实俯仰角E0,雷达实测俯仰角Ee0,雷达实测测距Ra
输出:距离修正量ΔR,俯仰角折射修正量ΔE
根据雷达测量的目标测距Ra以及俯仰角Ee0,以及步骤S6计算得到的真实距离R0和真实俯仰角E0,计算距离修正量ΔR与俯仰角折射修正量ΔE
(三)有益效果
本发明提出一种面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法,本发明基于分层积分迭代思想,设计了一种可用于实时任务的雷达电波折射的误差修正方法,旨在提高实时雷达设备测元精度,通过地面采集的温湿压数据,利用Hopfield模型计算不同高度的对流层折射率,并拟合目标相对测站高度的初始值计算系数,再通过一次积分即可获取火箭视在距离及火箭真实高度,最后得到雷达测距、俯仰的大气折射修正值。为进一步提升算法计算效率,特别是火箭飞行高度较高时的积分计算速度,采用更易于计算机运行实现的高斯积分法,计算中使用高斯积分常数,达到提升积分效率的目的,本方法修正精度远高于现有实时经验修正模型。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚,下面结合实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明基于分层积分迭代思想,设计了一种可用于实时任务的雷达电波折射的误差修正方法,旨在提高实时雷达设备测元精度,包括如下步骤:
S1、通过地面采集的温湿压数据,利用Hopfield模型计算不同高度的折射率;
S2、由雷达实测俯仰角和测距,计算目标相对测站高度的初始值,并对雷达3°以上俯仰角的数据进行修正;
S3、根据得到的目标初始高度值、折射率,积分迭代得到视在距离;
S4、由迭代计算得到的视在距离,计算目标真实地心距;
S5、根据得到目标真实地心距,积分迭代得到目标与测站间的真实地心角;
S6、根据得到的目标与测站间的真实地心角,计算真实距离和真实俯仰角;
S7、根据雷达测量的目标测距以及俯仰角,以及得到的真实距离和真实俯仰角,计算距离修正量与俯仰角折射修正量。
为进一步提升算法计算效率,特别是火箭飞行高度较高时的积分计算速度,采用更易于计算机运行实现的高斯积分法,计算中使用高斯积分常数,达到提升积分效率的目的,本方法修正精度远高于现有实时经验修正模型。
本发明基于分层积分迭代思想,设计了一种可用于实时任务的雷达电波折射的误差修正方法,旨在提高实时雷达设备测元精度,通过地面采集的温湿压数据,利用Hopfield模型计算不同高度的对流层折射率,并拟合目标相对测站高度的初始值计算系数,再通过一次积分即可获取火箭视在距离及火箭真实高度,最后得到雷达测距、俯仰的大气折射修正值。为进一步提升算法计算效率,特别是火箭飞行高度较高时的积分计算速度,采用更易于计算机运行实现的高斯积分法,计算中使用高斯积分常数,达到提升积分效率的目的,本方法修正精度远高于现有实时经验修正模型。
雷达测距、俯仰的大气折射修正值的计算,可以分步骤进行,首先结合雷达站的地面温湿压,利用Hopfield模型计算不同高度的对流层折射率;然后通过两轮积分即可获得火箭视在距离及目标与测站间真实地心角,从而得到雷达测距、俯仰的电波折射修正值。具体分为7个步骤,分别如下。
S1、对流层分层折射率计算
输入:设备海拔高度h0,雷达测量站的地面温度t0(单位为℃),雷达测量站地面大气压p0(单位为mbar),雷达测量站地面相对湿度f0(单位为%),跟踪目标海拔高度h,Hopfield模型湿项等效高度常量hw=11000(米)
输出:高度为h的电波折射率n(h)
利用Hopfield模型思想,将大气折射指数分为干、湿两项,并表示为目标高度的四次方函数,可计算得到不同高度h的折射率n(h)
n(h)=1+N(h)×10-6
其中N(h)为总的大气折射指数,Nd(h)、Nw(h)分别为干、湿两项折射指数,对应的计算方法如下
N(h)=Nd(h)+Nw(h)
hd为干项等效高度,单位(米),hd计算公式如下
hd=40136+148.72×(T0-273.16)
N0d、N0w分别表示测站地面的干项和湿项折射指数,计算方法如下
N0d=77.6p0/T0
N0w=3.73×105×e0/T0 2
上式e0为水气压(mbar),T0为雷达测量站的地面开氏温度,计算方法如下
T0=273+t0
S2、目标相对测站高度的初始值计算
输入:雷达实测俯仰角Ee0,雷达实测测距Ra,测站到地心的距离r0(r0=6371393+h0,6371393为地球平均半径,单位为米,h0为雷达设备海拔高度常量),Q*为比例系数常量
输出:目标相对测站高度的初始值hc
由雷达实测俯仰角Ee0和测距Ra,计算目标相对测站高度的初始值hc。由于雷达的保精度跟踪俯仰角为5°以上,因此本方法可对雷达3°以上俯仰角的数据进行修正,计算公式如下:
其中Q*为比例系数,正常情况下实测俯仰角Ee0和测距Ra会比真实值大,因此需要使用Q*比例系数取消除这种差异,针对不同射向飞行任务,可事后仿真拟合计算得到,一般实时任务中,Q*=0.95~0.97为宜。
S3、视在距离计算
输入:目标初始高度值hc,电离层的起始高度常量hE(取值为60km),高斯积分常数值Ck,地心距为rkj的电波折射率n(rkj),测站到地心的距离r0,雷达站地面电波折射指数n0,雷达实测俯仰角Ee0
输出:视在距离
根据得到的目标初始高度值hc,积分迭代得到视在距离其中地心距为rkj的电波折射率n(rkj)以及雷达站地面电波折射指数n0可通过步骤1的公式计算得到,输入高度值分别为rkj-6371393与r0-6371393(6371393为地球平均半径)。本步骤为了提升实时积分运算的效率,采用更易于计算机运行实现的高斯积分法,公式如下:
当hc≤hE时,视在距离的计算公式如下
当hc>hE时,电离层高度外的折射率基本为1。因此可将视在距离的计算分为两段(0,hE)与(hE,hc),其计算公式如下
其中
rkj=100j+UkΔrj,为高斯积分迭代时不同高度的地心距,
为分层区间,单位为米,
为高斯积分迭代次数,“[]”表示取整;
Ck,Uk为高斯积分常数值,相应的数值如下:
C1=0.1739274225 U1=0.0694318442
C2=0.3260725775 U2=0.3300094782
C3=0.3260725775 U3=0.6699905218
C4=0.1739274225 U4=0.9305681558
S4、目标真实地心距hT计算
输入:视在距离雷达实测测距Ra(同步骤2输入),目标初始高度值hc(参见步骤2),测站到地心的距离r0(同步骤2输入),雷达站地面电波折射指数n0(同步骤3输入),雷达实测俯仰角Ee0(同步骤2输入),地心距为r0+hc的电波折射率n(r0+hc)
输出:目标真实地心距hT
由上面迭代计算得到的视在距离计算目标真实地心距hT:
其中θc为射线在hc处的仰角,由于存在n(r0+hc)·(r0+hc)·cos(θc)=n0r0cos(Ee0),θc的计算方法如下:
地心距为r0+hc的电波折射率n(r0+hc)可通过步骤1的公式计算得到,输入高度值为r0+hc-6371393。
S5、目标与测站间的真实地心角计算
输入:目标真实地心距hT,电离层的起始高度常量hE(取值为60km,同步骤3输入),高斯积分常数值Ck(同步骤3输入),地心距为rkj的电波折射率n(rkj)(同步骤3输入),测站到地心的距离r0(同步骤3输入),雷达站地面电波折射指数n0(同步骤3输入),雷达实测俯仰角Ee0(同步骤3输入)
输出:目标与测站间的真实地心角
根据步骤4得到目标真实地心距hT,积分迭代得到真实地心角地心距为rkj电波折射率n(rkj)、雷达站地面电波折射指数n0的计算方法同步骤3。高斯积分常数值Ck与步骤3一致。同样为提高计算效率,真实地心角/>的计算采用高斯积分计算方式,其计算公式如下:
当hT≤hE时
当hT>hE时,可将计算分为两段(0,hE)与(hE,hT),
其中
rkj=100j+UkΔrj,为高斯积分迭代时不同高度的地心距,
为分层区间,单位为米,
为高斯积分迭代次数,“[]”表示取整。
S6、真实距离R0和真实俯仰角E0计算
输入:目标与测站间的真实地心角目标真实地心距hT,测站到地心的距离r0(同步骤3输入)
输出:真实距离R0,真实俯仰角E0
根据步骤5计算得到的目标与测站间的真实地心角计算真实距离R0和真实俯仰角E0,其计算公式如下;
S7、雷达电波折射修正量计算
输入:真实距离R0,真实俯仰角E0,雷达实测俯仰角Ee0,雷达实测测距Ra
输出:距离修正量ΔR,俯仰角折射修正量ΔE
根据雷达测量的目标测距Ra以及俯仰角Ee0,以及步骤6计算得到的真实距离R0和真实俯仰角E0,计算距离修正量ΔR与俯仰角折射修正量ΔE
由于本修正算法计算效率极高,可实时对20Hz采样的雷达测量测距及俯仰角进行修正,为了避免3°修正临界值带来的测量数据截断误差,在利用本节的方法计算得到3°起始修正量后,需对3°俯仰角以下雷达实测测距、俯仰角历史数据队列进行统一修正,可按照3°计算得到的电波折射修正量进行修正。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
S1、通过地面采集的温湿压数据,利用Hopfield模型计算不同高度的折射率;
S2、由雷达实测俯仰角和测距,计算目标相对测站高度的初始值,并对雷达3°以上俯仰角的数据进行修正;
S3、根据得到的目标初始高度值、折射率,积分迭代得到视在距离;
S4、由迭代计算得到的视在距离,计算目标真实地心距;
S5、根据得到目标真实地心距,积分迭代得到目标与测站间的真实地心角;
S6、根据得到的目标与测站间的真实地心角,计算真实距离和真实俯仰角;
S7、根据雷达测量的目标测距以及俯仰角,以及得到的真实距离和真实俯仰角,计算距离修正量与俯仰角折射修正量;
其中,
所述步骤S1具体包括:
输入:设备海拔高度h0,雷达测量站的地面温度t0,单位为℃,雷达测量站地面大气压p0,单位为mbar,雷达测量站地面相对湿度f0,跟踪目标海拔高度h,Hopfield模型湿项等效高度常量hw=11000米;
输出:高度为h的电波折射率n(h)
利用Hopfield模型思想,将大气折射指数分为干、湿两项,并表示为目标高度的四次方函数,计算得到不同高度h的折射率n(h)
n(h)=1+N(h)×10-6
其中N(h)为总的大气折射指数,Nd(h)、Nw(h)分别为干、湿两项折射指数,对应的计算方法如下
N(h)=Nd(h)+Nw(h)
hd为干项等效高度,单位为米,hd计算公式如下
hd=40136+148.72×(T0-273.16)
N0d、N0w分别表示测站地面的干项和湿项折射指数,计算方法如下
N0d=77.6p0/T0
N0w=3.73×105×e0/T0 2
上式e0为水气压,单位为mbar,T0为雷达测量站的地面开氏温度,计算方法如下:
T0=273+t0
所述步骤S3具体包括:
输入:目标初始高度值hc,电离层的起始高度常量hE,取值为60km,高斯积分常数值Ck,地心距为rkj的电波折射率n(rkj),测站到地心的距离r0,雷达站地面电波折射指数n0,雷达实测俯仰角Ee0;
输出:视在距离
根据得到的目标初始高度值hc,积分迭代得到视在距离其中地心距为rkj的电波折射率n(rkj)以及雷达站地面电波折射指数n0通过步骤1的公式计算得到,输入高度值分别为rkj-6371393与r0-6371393;
当hc≤hE时,视在距离的计算公式如下
当hc>hE时,电离层高度外的折射率基本为1;因此将视在距离Ra的计算分为两段(0,hE)与(hE,hc),其计算公式如下
其中
rkj=100j+UkΔrj,为高斯积分迭代时不同高度的地心距,
为分层区间,单位为米,
为高斯积分迭代次数,“[]”表示取整;
Ck,Uk为高斯积分常数值,相应的数值如下:
C1=0.1739274225 U1=0.0694318442
C2=0.3260725775 U2=0.3300094782
C3=0.3260725775 U3=0.6699905218
C4=0.1739274225 U4=0.9305681558;
所述步骤S5具体包括:
输入:目标真实地心距hT,电离层的起始高度常量hE,取值为60km,高斯积分常数值Ck,地心距为rkj的电波折射率n(rkj),测站到地心的距离r0,雷达站地面电波折射指数n0,雷达实测俯仰角Ee0
输出:目标与测站间的真实地心角
根据步骤S4得到目标真实地心距hT,积分迭代得到真实地心角地心距为rkj电波折射率n(rkj)、雷达站地面电波折射指数n0的计算方法同步骤S3;高斯积分常数值Ck与步骤S3一致;
当hT≤hE时
当hT>hE时,可将计算分为两段(0,hE)与(hE,hT),
其中
rkj=100j+UkΔrj,为高斯积分迭代时不同高度的地心距,
为分层区间,单位为米,
为高斯积分迭代次数,“[]”表示取整。
2.如权利要求1所述的面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括:
输入:雷达实测俯仰角Ee0,雷达实测测距Ra,测站到地心的距离r0,r0=6371393+h0,6371393为地球平均半径,单位为米,h0为雷达设备海拔高度常量,Q*为比例系数常量
输出:目标相对测站高度的初始值hc
由雷达实测俯仰角Ee0和测距Ra,计算目标相对测站高度的初始值hc;由于雷达的保精度跟踪俯仰角为5°以上,因此本方法对雷达3°以上俯仰角的数据进行修正,计算公式如下:
其中Q*为比例系数,正常情况下实测俯仰角Ee0和测距Ra会比真实值大,因此需要使用Q*比例系数取消除这种差异。
3.如权利要求2所述的面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法,其特征在于,实时任务中,Q*=0.95~0.97。
4.如权利要求1所述的面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法,其特征在于,所述步骤S3采用采用计算机运行实现的高斯积分法计算。
5.如权利要求4所述的面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法,其特征在于,所述步骤S4具体包括:
输入:视在距离雷达实测测距Ra,目标初始高度值hc,测站到地心的距离r0,雷达站地面电波折射指数n0,雷达实测俯仰角Ee0,地心距为r0+hc的电波折射率n(r0+hc)
输出:目标真实地心距hT
由上面迭代计算得到的视在距离计算目标真实地心距hT:
其中θc为射线在hc处的仰角,由于存在n(r0+hc)·(r0+hc)·cos(θc)=n0r0cos(Ee0),θc的计算方法如下:
地心距为r0+hc的电波折射率n(r0+hc)可通过步骤S1的公式计算得到,输入高度值为r0+hc-6371393。
6.如权利要求1所述的面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法,其特征在于,所述步骤S6具体包括:
输入:目标与测站间的真实地心角目标真实地心距hT,测站到地心的距离r0;
输出:真实距离R0,真实俯仰角E0
根据步骤S5计算得到的目标与测站间的真实地心角计算真实距离R0和真实俯仰角E0,其计算公式如下;
7.如权利要求6所述的面向实时的雷达电波折射积分迭代误差修正方法,其特征在于,所述步骤S7具体包括:
输入:真实距离R0,真实俯仰角E0,雷达实测俯仰角Ee0,雷达实测测距Ra
输出:距离修正量ΔR,俯仰角折射修正量ΔE
根据雷达测量的目标测距Ra以及俯仰角Ee0,以及步骤S6计算得到的真实距离R0和真实俯仰角E0,计算距离修正量ΔR与俯仰角折射修正量ΔE
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