CN113916717B - 一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法，属于遥感技术领域。首先给出了平流层大气密度反演模型，此模型为本发明实施的基础；其次结合星光折射的几何关系以及航天器轨道的确定，给出了反演大气密度点的三维坐标以及掩星开始时航天器位置确定的方法。利用本发明可以获得全球三维、准实时的大气密度模型。弥补了直接测量以及地基遥感的空间覆盖率低的缺陷，并且相对无线电掩星方法成本更低，结构更加简单相对易于实现。

Description

一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法
技术领域
本发明涉及一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法，属于遥感技术领域。
背景技术
大气模型是对大气中的各种参数的时空分布的描述，大气参数的确定对于气象、天文以及航天等领域都有着重要的影响，所以很早就已经得到了广泛的研究。目前的大气探测主要包括直接量测、地基遥感以及天基遥感三类方法。
直接测量是指利用一系列仪器对载体所在位置大气参数的测量，例如温度计、测压计以及风速表等。在对空中气象进行测量时一般需要搭载探空气球、火箭以及卫星等航空航天飞行器。其中探空气球可以用来获取低层大气的垂直数据，其遇到的主要问题就是高度范围受限[1]和水平干扰[2]。卫星大气阻力反演则可以用于测量高层大气密度数据[3]，但是卫星阻力反演的时空分辨率以及精度均存在一定的局限。
与直接量测相比，地基遥感在高度探测范围上有了质的突破。一般而言，地基遥感的可靠性、成本都很不错，但是这类方式同样会受到高山、沙漠、海洋等特殊地域的限制。根据中频、甚高频、流星、激光等不同雷达所选择的频率范围，其空间分辨率从1公里至数公里不等，时间分辨率从10分钟到60分钟不等。
天基遥感，即气象卫星出现的直接原因是气象的数值预报工作对于增加气象资料时间和空间分布密度的需求。直接观测以及地基遥感虽然可以获得比较精确的资料，但是其覆盖范围相对于全球而言仍只占很小一部分。美国发射的NOAA(National Oceanic andAtmospheric Administration)卫星通过不同垫面在可见光和红外波段下的特性分析温度、臭氧含量等成分，其一个瞬时观测区可以占据地球表面面积的2％。一个极轨卫星可以在半天时间内得到全球主要地区的气象资料。赤道上的四颗静止卫星，理论上可以覆盖全部赤道地区[4]。
无线电掩星是一种新颖的大气观测方式，不同于传统的气象卫星，无线电掩星不是向星下点接受信号，而是接受其它卫星的电磁信号，这一特点赋予了它更灵活的探测范围以及更多的测量信息。最早的无线电反演思想源于60年代，G.Fjeldbo等利用该方法分析了火星低层大气的折射率变化情况[5]。直至90年代以后，无线电掩星才开始被用于地球的大气探测[6]。目前，无线电掩星已经发展出几何光学反演、菲涅尔衍射反演等多种反演手段，几何光学反演对于星光折射反演具备明显的借鉴价值[7]。无线电掩星的问题在于信号源的成本，如果要实现大范围的大气观测，那么卫星的轨道设计、卫星间的协调、不同大气成分对电磁波信号的影响都是需要解决的困难。
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发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法，基于低轨航天器利用星光折射信息反演大气参数，获得全球平流层三维、准实时的大气模型参数，同时弥补了直接测量以及地基遥感的空间覆盖率低的缺陷，并且相对无线电掩星方法成本更低，结构更加简单相对易于实现。
本发明技术解决方案：一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法，基于星敏感器利用星光折射信息的大气密度反演方法，包括以下步骤：
(1)计算并记录掩星开始时刻航天器的位置；
(2)从航天器到达步骤(1)确定的位置开始，对星敏感器拍摄星图进行星图处理，记录折射前星光矢量方向和星光折射角，同时记录航天器导航***输出的位置信息，持续记录数据直到掩星过程结束；
(3)利用步骤(2)记录的航天器位置、折射前星光矢量方向以及折射角数据，根据几何关系计算视高度；
(4)利用步骤(2)记录的折射角数据以及步骤(3)计算的视高度数据，利用基于星光折射的大气密度反演公式计算每组数据对应的大气密度；
(5)利用步骤(2)记录的航天器位置、折射前星光矢量方向以及折射角数据，根据几何关系计算反演大气密度点的三维坐标；
所述步骤(4)中，基于星光折射的大气密度反演公式为：
式中，ρ代表反演大气密度点处的密度值，re为地球半径，ha,max和ha分别为掩星过程中的最大视高度以及反演大气密度点处的视高度，R(ha1)代表视高度为ha1时折射角大小，kG-D代表Gladstone-Dale常数。
所述步骤(5)中，反演大气密度点处的三维坐标计算方法如下：
式中，(xGP,yGP,zGP)代表反演大气密度点的三维坐标；(x,y,z)为航天器当前位置；(l,m,n)为折射前星光的方向矢量；航天器与反演大气密度点之间的距离Td的确定方法如下：
Td＝rs(sinχ-cosχtan R/2) (3)
式中，χ表示航天器轨道平面与折射前星光相切平面的夹角，rs表示航天器地心距。
所述步骤(1)中，掩星开始时航天器所在位置的计算方法如下：
航天器轨道表示为：
ax+by+cz＝0 (5)
其中(a,b,c)代表了航天器轨道平面的空间指向；
对于能观测到折射星的航天器位置来说，满足下式：
lx+my+nz+rs sinχ＝0 (6)
根据式(4)～式(6)计算得到航天器的位置，(x,y,z)为航天器当前三维坐标；
其中：
α＝bl-am
β＝cl-an
γ＝cm-bn
W＝rs sinχ
由式(4)有：
另外，航天器位置还需要满足：
lx+my+nz＜0 (10)
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)可以获得三维的、准实时的平流层大气密度模型，对于类似星光折射导航技术这种需要用到高精度全球大气密度模型的领域有不可或缺的作用；
(2)相对现有的大气密度模型获取方法，弥补了直接测量以及地基遥感的空间覆盖率低的缺陷；直接测量及地基遥感只能测量一个或多个点在不同高度剖面的密度值，而本发明可以做到覆盖全球，覆盖率与航天器轨道、星敏感器极限星等有关系，例如选择一颗近极地轨道卫星，极限星等为6，可以在63小时内覆盖全球96％的地区。
(3)无需考虑无线电掩星方法中信号源的成本及星间协同问题。无线电掩星的方法也可以做到全球覆盖，但是该方法需要考虑到星间协同的问题，问题的复杂度会大大提升，成本同样也会提升。而本发明观测的是自然天体无需考虑该问题。
附图说明
图1为本发明的技术要点图；
图2为折射星光与航天器的几何关系；
图3为本发明实施流程框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1，3所示，本发明技术解决方案：基于星光折射的全球大气密度反演方法，步骤如下：
1、对于某一确定的航天器，其轨道方程已知，查找星表可以得到星光矢量方向，由技术要点3中表述的几何关系，计算出某星光掩星开始时航天器的位置p0；
2、从航天器到达步骤1确定的位置p0开始，对星敏感器拍摄星图进行星图处理，星图处理的流程如下：(1)对星敏感器拍摄的星图进行预处理减少噪声，提升信噪比；(2)使用种子生长法进行星图分割，分离星点及背景；(3)利用带阈值的质心法提取星点质心坐标；(4)使用三角形匹配算法进行星图识别，使拍摄星图与星表对应；(5)得到星光折射前后的星光矢量方向，折射角及折射前后星光矢量的夹角；记录折射前星光矢量方向μ0i和计算得到的星光折射角αi，同时记录航天器导航***输出的位置信息xi，持续记录数据直到掩星过程结束；
3、利用步骤2记录的航天器位置xi、折射前星光矢量方向μ0i以及折射角αi，根据几何关系计算视高度hai；
4、利用步骤2记录的折射角αi以及步骤3计算的视高度hai，利用技术要点1给出的基于星光折射的大气密度反演公式式(1)，计算每组数据对应的大气密度ρ；根据以上信息代入式(1)可直接求解；
5、利用步骤2记录的航天器位置xi、折射前星光矢量方向μ0i以及折射角αi，根据技术要点2给出的方法计算反演大气密度点处的三维坐标(xGP，yGP，zGP)。
如图1所示，本发明的技术要点如下：
1、基于星光折射的大气密度反演模型
本发明是星光折射定位的逆应用，利用已知的航天器位置以及观测星光折射信息反演计算折射高度处的大气密度。基于星光折射的大气密度反演公式为：
式中，ρ代表反演大气密度点处的密度值，re为地球半径，ha，max和ha分别为掩星过程中的最大视高度以及反演大气密度点处的视高度，R(ha1)代表视高度为ha1时折射角大小，kG-D代表Gladstone-Dale常数。
由式(11)可知，大气密度反演计算需要已知掩星过程中的观测视高度及该视高度对应的折射角。折射角可由星敏感器观测得到，视高度的计算方法如下：
式中，r为航天器在惯性系下的位置矢量，u为折射前的星光方向单位矢量，R为折射角大小，为小量可以忽略。
2、反演位置确定
根据技术要点1可以计算反演大气密度点处的密度值，为获得全球三维大气密度模型还需要得到反演大气密度点处的三维坐标。计算方法如下：
式中，(xGP,yGP,zGP)代表反演大气密度点的三维坐标；(x,y,z)为航天器当前位置；(l,m,n)为折射前星光的方向矢量；航天器与反演大气密度点之间的距离Td的计算方法如式(14)：
Td＝rs(sinχ-cosχtan R/2) (14)
式中，χ表示航天器轨道平面与折射前星光相切平面的夹角，具体表示方法见图2，rs表示航天器地心距，R表示星光折射角的大小。
3、掩星开始时航天器位置的确定
大气反演计算是一个积分过程，所以求解密度还需要知道积分开始和结束时航天器的位置。掩星结束根据拍摄的星图很容易辨别，当目标恒星无法被观测到时掩星过程结束；而掩星开始时由于折射很微弱，单纯靠拍摄星图难以确定掩星过程何时开始，所以需要依赖航天器和星光的几何关系进行解算。掩星开始时航天器所在位置的计算方法如下：
航天器轨道可以表示为：
x2+y2+z2＝rs 2 (15)
ax+by+cz＝0 (16)
其中(a,b,c)代表了航天器轨道平面的空间指向。
对于能观测到折射星的航天器位置来说，满足下式：
lx+my+nz+rs sinχ＝0 (17)
根据式(15)～式(17)可以计算得到航天器的位置，计算结果为：
其中：
α＝bl-am
β＝cl-an
γ＝cm-bn
W＝rs sinχ
由式(15)有：
另外，航天器位置还需要满足：
lx+my+nz＜0 (21)
以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)计算并记录掩星开始时刻航天器的位置；
(2)从航天器到达步骤(1)确定的位置开始，对星敏感器拍摄星图进行星图处理，记录折射前星光矢量方向和星光折射角，同时记录航天器导航***输出的位置信息，持续记录数据直至掩星过程结束；
(3)利用航天器导航***输出的航天器位置、折射前星光矢量方向以及星光折射角的数据，基于几何关系计算视高度；
(4)利用步骤(2)记录的星光折射角数据以及步骤(3)计算的视高度数据，利用基于星光折射的大气密度反演公式计算每组数据对应的大气密度；
(5)利用步骤(2)记录的航天器位置、折射前星光矢量方向以及星光折射角的数据，基于几何关系计算反演大气密度点的三维坐标；
所述步骤(4)中，基于星光折射的大气密度反演公式为：
式中，ρ代表反演大气密度点处的密度值，re为地球半径，ha,max和ha分别为掩星过程中的最大视高度以及反演大气密度点处的视高度，R(ha1)代表视高度为ha1时星光折射角大小，kG-D代表Gladstone-Dale常数；
所述步骤(5)中，反演大气密度点处的三维坐标计算方法如下：
式中，(xGP,yGP,zGP)代表反演大气密度点处的三维坐标；(x,y,z)为航天器当前位置；(l,m,n)为折射前星光的方向矢量；航天器与反演大气密度点之间的距离Td的确定方法如下：
Td＝rs(sinχ-cosχtanR/2) (3)
式中，χ表示航天器轨道平面与折射前星光相切平面的夹角，rs表示航天器地心距，R表示星光折射角的大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法，其特征在于：所述步骤(1)中，掩星开始时航天器所在位置的计算方法如下：
航天器轨道表示为：
x2+y2+z2＝rs 2 (4)
ax+by+cz＝0 (5)
其中(a,b,c)代表了航天器轨道平面的空间指向；(x,y,z)为航天器当前位置；
对于能观测到折射星的航天器来说，其位置满足下式：
lx+my+nz+rssinχ＝0 (6)
(l,m,n)为折射前星光的方向矢量，rs表示航天器地心距，χ表示航天器轨道平面与折射前星光相切平面的夹角；
根据式(4)～式(6)计算得到航天器的位置，式中(x,y,z)表示航天器三维坐标；
其中：
α＝bl-am
β＝cl-an
γ＝cm-bn
W＝rssinχ
由式(4)有：
另外，航天器位置还需要满足：
lx+my+nz＜0 (10)。
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