[發(fā)明專利]一種利用恒星觀測數據校正光學成像衛(wèi)星大氣折射的方法

有效

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• 申請日: 2019-03-06
• 公開（公告）號: CN109900658B
• 公開（公告）日: 2019-11-01
• 發(fā)明（設計）人: 安瑋;盛衛(wèi)東;曾瑤源;王雪瑩;程煜
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 長沙中科啟明知識產權代理事務所(普通合伙) 43226
• 代理人: 任合明

1.一種利用恒星觀測數據校正光學成像衛(wèi)星大氣折射的方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1根據所觀測衛(wèi)星圖像的光波波段，建立大氣分層模型；

S2建立恒星光線折射模型，并通過該模型，利用所觀測到的恒星偏折現象，以及逐層前向迭代算法對大氣折射率進行計算；

第N層大氣折射率的計算公式如下：

其中，α₁即代表恒星入射光線與第N層大氣發(fā)生折射時所形成的入射角，β即代表恒星光線方向與衛(wèi)星視線所形成夾角，n₀代表真空大氣折射率；

進而從第N層逐層計算，即可由外向內，逐層解算出大氣折射率；

具體實現過程包括：

S2.1建立恒星光線折射模型，具體過程如下：在球形地球模型以及球形大氣的假設下，按照S1中建立的大氣分層模型，按設定的高度對大氣層進行分層，在大氣層由最內層到最外層依次為第1，2，……，N層的假設下，以及在已知每層大氣折射率的條件下，由外層向內層依次遞推，從而得出恒星光線與衛(wèi)星視線的夾角值；由于大氣層第N層入射角α₁已知，在該層使用折射定律，即可推出第N層的出射角θ₁＝arcsin(n₀*sin(α₁)/n₁)，其中，n₀代表真空大氣折射率,n₁代表第N層大氣折射率，此時，需要判斷光線是否能進入第N-1層大氣，即判斷h₂-h₁*sin(θ₁)的正負，其中h₁代表從地心到第N層大氣高度，h₂代表從地心到第N-1層大氣高度，若非負，則不可進入第N-1層大氣，此時利用光路的對稱性，即可推導出該光線光路，得到恒星光線與衛(wèi)星視線的夾角值；若為負，則可以進入第N-1層大氣，此時，由正弦定理，即可由第N層的出射角θ₁推導出第N-1層大氣入射角α₂＝arcsin(h₁*sin(θ₁)/h₂)，按上述步驟由外層向內層遞推，即可得出恒星光線的光路情況，得到恒星光線與衛(wèi)星視線的夾角值，從而建立恒星光線折射模型；

S2.2假設已知恒星光線光路，而大氣折射率未知，且在已知恒星光線折射模型的條件下，由外及內，依次對各層的大氣折射率進行估算，根據幾何關系，可以找出某條僅通過第N層大氣的恒星光線，且可以得知該光線的通過第N層大氣的出射角為θ₁，即可計算第N層大氣折射率為：

其中，β即代表恒星光線方向與衛(wèi)星視線所形成夾角；

S2.3同理在已知某恒星光線僅通過第N-1層大氣，即可計算第N-1層大氣折射率為：

其中，α₂代表恒星入射光線與第N-1層大氣發(fā)生折射時所形成的入射角，θ₂代表恒星入射光線與第N-1層大氣發(fā)生折射時所形成的出射角；

S2.4依此由內層向外層遞推，即可計算出各層大氣折射率；

S2.5通過利用多天的數據，按照上述方法，由外層到內層，選出入射到同一層的數據，逐層將計算出來的折射率取均值計算，進而可以計算出穩(wěn)定情況下的大氣折射率；

S3通過恒星光線折射模型以及大氣折射率，對偏折的恒星光線進行修正，并通過修正結果，對大氣折射率進行更新；

具體實現過程包括：

S3.1利用恒星光線折射模型以及此時衛(wèi)星的視線，以及光路的對稱性，得出在已知大氣折射率的條件下，恒星光線與視線的夾角；

S3.2利用恒星光線與視線的夾角大小，由于地心與衛(wèi)星共面，且已知視線方向和恒星光線和視線夾角大小，且衛(wèi)星光線偏折必定是朝向地心方向，故假設恒星光線方向為單位向量，利用該向量與視線共面，且夾角一定建立方程組，求解方程組，取靠近地心方向的值即為恒星光線方向；

S3.3通過修正結果與實際恒星位置誤差大小的比較，分析由于天氣變化情況導致的大氣折射率變動情況，若由于氣候影響導致折射率偏差變大，則利用新的恒星視線夾角數據對折射率進行更新；

S4通過恒星光線折射模型以及衛(wèi)星的共面性質以及更新的大氣折射率，對一定時間內的恒星光線折射現象進行預測；

具體實現過程包括：通過恒星光線折射模型以及衛(wèi)星的共面性質，在已知恒星光線入射方向的條件下，通過光路的對稱性，反過來將衛(wèi)星視為光源，按照光路模型計算出在現有衛(wèi)星視角下，可觀測光線的下視角的最小值，從而推導出可見恒星光線的范圍，從而對衛(wèi)星所觀測的恒星光線可見性以及偏折情況進行預測。

2.根據權利要求1所述利用恒星觀測數據校正光學成像衛(wèi)星大氣折射的方法，其特征在于：S1的具體實現過程包括：針對衛(wèi)星所用譜段在大氣中傳播的性質，對大氣進行分層建模，大氣高度不超過100km，且在分層時采用不同的分層間隔，考慮對空氣變化較為劇烈的區(qū)域取較小間隔進行分層，而對于其它區(qū)域取較大間隔進行分層。