本發(fā)明涉及天文導(dǎo)航，特別是一種基于雙波段星光折射的大氣密度模型誤差在線標(biāo)定方法，適用于星光折射導(dǎo)航中大氣模型的修正。

背景技術(shù)：

1、在星光折射導(dǎo)航技術(shù)中，星敏感器觀測(cè)穿過地球大氣的折射星光時(shí)，需要準(zhǔn)確地知道大氣密度值，否則每1％的大氣密度誤差就會(huì)帶來約60m的定位誤差(房建成,寧曉琳,劉勁.航天器自主天文導(dǎo)航原理與方法(第二版)[m].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2017.)。由于大氣密度不僅與高度相關(guān)，還受經(jīng)度、緯度、時(shí)間、太陽活動(dòng)等的一系列不定因素的影響，大氣密度值通常難以準(zhǔn)確估計(jì)。通過與實(shí)測(cè)大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，傳統(tǒng)的指數(shù)型大氣密度模型最大存在接近20％的相對(duì)誤差(zhao?y,wang?d?j,zhang?h?b,et?al.a?novel?tightly-coupled?sins/rcns?integrated?navigation?method?considering?atmosphericdensity?error[j].ieee?transactions?on?instrumentation?and?measurement,2023,vol.72:1.)，這無疑是嚴(yán)重影響導(dǎo)航精度的，因此需要對(duì)大氣密度模型誤差在線標(biāo)定并補(bǔ)償。

2、現(xiàn)有對(duì)地球大氣重新精確建模的方法(yang?y?f,han?x,song?n?n,et?al.a?newmethod?to?improve?the?measurement?accuracy?of?autonomous?astronomicalnavigation[j].journal?of?mathematics,2022,vol.2022:1.)面臨著諸多困難，最主要的是需要龐大的大氣參數(shù)數(shù)據(jù)，一方面數(shù)據(jù)的時(shí)效性難以保證，另一方面航天器上計(jì)算資源也有限，無法滿足導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)解算的需求。同時(shí)因?yàn)榇髿饷芏戎档挠绊懸蛩剡^多、變化規(guī)律過于復(fù)雜，現(xiàn)有大氣建模方法的誤差修正效果有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于雙波段星光折射的大氣密度模型誤差在線標(biāo)定方法，提高星光折射導(dǎo)航精度。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于雙波段星光折射的大氣密度模型誤差在線標(biāo)定方法，包括以下步驟：

3、s1、建立雙波段星光折射角r1、r2的測(cè)量方程；

4、s2、根據(jù)所述測(cè)量方程計(jì)算雙波段星光折射高度之差δh的近似值；

5、s3、利用所述近似值建立大氣密度誤差計(jì)算方程組，根據(jù)所述方程組計(jì)算得到大氣密度模型誤差δρ；

6、s4、將大氣密度模型誤差δρ補(bǔ)償回大氣密度模型完成對(duì)大氣密度模型誤差的在線標(biāo)定。

7、大氣密度模型ρg為星光折射高度hg處的大氣密度，ρ0為參考高度h0處的大氣密度，hg為星光折射高度hg處的密度標(biāo)尺高度。

8、本發(fā)明中，將大氣密度模型誤差δρ補(bǔ)償回大氣密度模型，是指對(duì)ρ0進(jìn)行修正，即將ρ0更新為ρ0,0+δρ。

9、本發(fā)明通過觀測(cè)不同波段星光穿過地球大氣時(shí)產(chǎn)生的折射角差異，建立雙波段星光色散與大氣密度模型誤差之間的映射關(guān)系。利用狀態(tài)估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣密度模型誤差的在線標(biāo)定，降低了大氣密度模型誤差對(duì)星光折射導(dǎo)航的影響，從而提高了航天器的導(dǎo)航精度。

10、所述雙波段星光折射角r1、r2的測(cè)量方程表達(dá)式如下：

11、

12、其中，λ1、λ2分別為雙波段星光波長(zhǎng)，λ1＞λ2；hg1、hg2分別為雙波段星光折射高度，hg1、hg2分別為雙波段星光密度標(biāo)尺高度，ρ0為參考高度h0處的大氣密度，re為地球平均半徑，k(λ1)、k(λ2)為散射參數(shù)。相比于傳統(tǒng)單波段星光折射測(cè)量方程，以上測(cè)量方程能更為充分地利用星光折射的測(cè)量信息。

13、散射參數(shù)λ＝λ1或λ2。該散射參數(shù)表達(dá)式能準(zhǔn)確地描述可見光到近紅外波段星光的散射系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系。

14、雙波段星光折射高度之差δh的近似值表達(dá)式為：δh＝hg2-hg1≈ha2-ha1≈|rs|·cos(αs+r1)·(r2-r1)；其中，hg1、hg2為雙波段星光折射高度，ha1、ha2為雙波段星光折射視高度，rs為星敏感器位置矢量，αs為位置矢量與折射前星光方向矢量夾角。以上表達(dá)式能充分地利用雙波段星光折射的幾何關(guān)系信息。

15、所述大氣密度誤差計(jì)算方程組表達(dá)式為：

16、

17、其中，δρ表示大氣密度模型誤差，δhg1表示長(zhǎng)波段星光折射高度誤差，ρ0,0為標(biāo)定補(bǔ)償前的大氣密度初始值，hg1,0為標(biāo)定補(bǔ)償前的長(zhǎng)波段星光折射高度初始值，為折射高度hg的函數(shù)，hg為星光折射高度hg處的密度標(biāo)尺高度，為函數(shù)f(hg)在hg1,0處的1階導(dǎo)數(shù)，h0為參考高度，re為地球平均半徑，k(λ1)、k(λ2)為散射參數(shù)。以上方程組建立了雙波段星光折射測(cè)量信息和大氣密度誤差的關(guān)系，并能準(zhǔn)確地計(jì)算出大氣密度誤差值。大氣密度模型誤差δρ的計(jì)算公式為：

18、

19、其中，矩陣v、s、u由矩陣a進(jìn)行奇異值分解得到，a＝usvτ。

20、作為一個(gè)發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)裝置，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上的計(jì)算機(jī)程序；所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序，以實(shí)現(xiàn)上述方法的步驟。

21、作為一個(gè)發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序/指令；所述計(jì)算機(jī)程序/指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述方法的步驟。

22、作為一個(gè)發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序/指令；該計(jì)算機(jī)程序/指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述方法的步驟。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明通過觀測(cè)不同波段星光穿過地球大氣時(shí)產(chǎn)生的折射角差異，建立雙波段星光色散與大氣密度模型誤差之間的映射關(guān)系，利用狀態(tài)估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣密度模型誤差的在線標(biāo)定，降低大氣密度模型誤差對(duì)星光折射導(dǎo)航的影響。其優(yōu)點(diǎn)在于：在線標(biāo)定出大氣密度模型誤差，有利于提高星光大氣折射模型的精度，從而提高星光折射導(dǎo)航技術(shù)的導(dǎo)航精度。

技術(shù)特征：

1.一種基于雙波段星光折射的大氣密度模型誤差在線標(biāo)定方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙波段星光折射的大氣密度模型誤差在線標(biāo)定方法，其特征在于，所述雙波段星光折射角r1、r2的測(cè)量方程表達(dá)式如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙波段星光折射的大氣密度模型誤差在線標(biāo)定方法，其特征在于，散射參數(shù)

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙波段星光折射的大氣密度模型誤差在線標(biāo)定方法，其特征在于，雙波段星光折射高度之差δh的近似值表達(dá)式為：δh＝hg2-hg1≈ha2-ha1≈rs|·cos(αs+r1)·(r2-r1)；其中，hg1、hg2為雙波段星光折射高度，ha1、ha2為雙波段星光折射視高度，rs為星敏感器位置矢量，αs為位置矢量與折射前星光方向矢量夾角。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙波段星光折射的大氣密度模型誤差在線標(biāo)定方法，其特征在于，所述大氣密度誤差計(jì)算方程組表達(dá)式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于雙波段星光折射的大氣密度模型誤差在線標(biāo)定方法，其特征在于，大氣密度模型誤差δρ的計(jì)算公式為：

7.一種計(jì)算機(jī)裝置，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上的計(jì)算機(jī)程序；其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序，以實(shí)現(xiàn)上述權(quán)利要求1～6之一所述方法的步驟。

8.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序/指令；其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序/指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述權(quán)利要求1～6之一所述方法的步驟。

9.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序/指令；其特征在于，該計(jì)算機(jī)程序/指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述權(quán)利要求1～6之一方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于雙波段星光折射的大氣密度模型誤差在線標(biāo)定方法，利用兩個(gè)不同波段的星光穿過地球大氣層時(shí)產(chǎn)生的折射信息差異，建立雙波段星光折射觀測(cè)量與大氣密度模型誤差的映射關(guān)系，采用最小二乘法及奇異值分解方法，在線估計(jì)并補(bǔ)償大氣密度模型誤差，從而提高星光大氣折射模型的精度。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣密度模型誤差的在線標(biāo)定，降低大氣密度模型誤差對(duì)雙波段星光折射導(dǎo)航的影響，有利于提高航天器的自主導(dǎo)航精度。

技術(shù)研發(fā)人員：張洪波,楊行,王鼎杰,顏旭,湯國(guó)建
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9