本發明涉及天文導航,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定方法,適用于星光折射導航中大氣模型的修正。
背景技術:
1、在星光折射導航技術中,星敏感器觀測穿過地球大氣的折射星光時,需要準確地知道大氣密度值,否則每1%的大氣密度誤差就會帶來約60m的定位誤差(房建成,寧曉琳,劉勁.航天器自主天文導航原理與方法(第二版)[m].北京:國防工業出版社,2017.)。由于大氣密度不僅與高度相關,還受經度、緯度、時間、太陽活動等的一系列不定因素的影響,大氣密度值通常難以準確估計。通過與實測大氣數據進行對比,傳統的指數型大氣密度模型最大存在接近20%的相對誤差(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.),這無疑是嚴重影響導航精度的,因此需要對大氣密度模型誤差在線標定并補償。
2、現有對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數據,一方面數據的時效性難以保證,另一方面航天器上計算資源也有限,無法滿足導航系統實時解算的需求。同時因為大氣密度值的影響因素過多、變化規律過于復雜,現有大氣建模方法的誤差修正效果有限。
技術實現思路
1、本發明所要解決的技術問題是,針對現有技術不足,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定方法,提高星光折射導航精度。
2、為解決上述技術問題,本發明所采用的技術方案是: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的測量方程;
4、s2、根據所述測量方程計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算方程組,根據所述方程組計算得到大氣密度模型誤差δρ;
6、s4、將大氣密度模型誤差δρ補償回大氣密度模型完成對大氣密度模型誤差的在線標定。
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處的密度標尺高度。
8、本發明中,將大氣密度模型誤差δρ補償回大氣密度模型,是指對ρ0進行修正,即將ρ0更新為ρ0,0+δρ。
9、本發明通過觀測不同波段星光穿過地球大氣時產生的折射角差異,建立雙波段星光色散與大氣密度模型誤差之間的映射關系。利用狀態估計方法實現對大氣密度模型誤差的在線標定,降低了大氣密度模型誤差對星光折射導航的影響,從而提高了航天器的導航精度。
10、所述雙波段星光折射角r1、r2的測量方程表達式如下:
11、
12、其中,λ1、λ2分別為雙波段星光波長,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。相比于傳統單波段星光折射測量方程,以上測量方程能更為充分地利用星光折射的測量信息。
13、散射參數λ=λ1或λ2。該散射參數表達式能準確地描述可見光到近紅外波段星光的散射系數與波長的關系。
14、雙波段星光折射高度之差δh的近似值表達式為: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。以上表達式能充分地利用雙波段星光折射的幾何關系信息。
15、所述大氣密度誤差計算方程組表達式為:
16、
17、其中,δρ表示大氣密度模型誤差,δhg1表示長波段星光折射高度誤差,ρ0,0為標定補償前的大氣密度初始值,hg1,0為標定補償前的長波段星光折射高度初始值,為折射高度hg的函數,hg為星光折射高度hg處的密度標尺高度,為函數f(hg)在hg1,0處的1階導數,h0為參考高度,re為地球平均半徑,k(λ1)、k(λ2)為散射參數。以上方程組建立了雙波段星光折射測量信息和大氣密度誤差的關系,并能準確地計算出大氣密度誤差值。大氣密度模型誤差δρ的計算公式為:
18、
19、其中,矩陣v、s、u由矩陣a進行奇異值分解得到,a=usvτ。
20、作為一個發明構思,本發明還提供了一種計算機裝置,包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上的計算機程序;所述處理器執行所述計算機程序,以實現上述方法的步驟。
21、作為一個發明構思,本發明還提供了一種計算機可讀存儲介質,其上存儲有計算機程序/指令;所述計算機程序/指令被處理器執行時實現上述方法的步驟。
22、作為一個發明構思,本發明還提供了一種計算機程序產品,包括計算機程序/指令;該計算機程序/指令被處理器執行時實現上述方法的步驟。
23、與現有技術相比,本發明所具有的有益效果為:本發明通過觀測不同波段星光穿過地球大氣時產生的折射角差異,建立雙波段星光色散與大氣密度模型誤差之間的映射關系,利用狀態估計方法實現對大氣密度模型誤差的在線標定,降低大氣密度模型誤差對星光折射導航的影響。其優點在于:在線標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航技術的導航精度。
1.一種基于雙波段星光折射的大氣密度模型誤差在線標定方法,其特征在于,包括以下步驟:
2.根據權利要求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定方法,其特征在于,所述雙波段星光折射角r1、r2的測量方程表達式如下:
3.根據權利要求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定方法,其特征在于,散射參數
4.根據權利要求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.根據權利要求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定方法,其特征在于,所述大氣密度誤差計算方程組表達式為:
6.根據權利要求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定方法,其特征在于,大氣密度模型誤差δρ的計算公式為:
7.一種計算機裝置,包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上的計算機程序;其特征在于,所述處理器執行所述計算機程序,以實現上述權利要求1~6之一所述方法的步驟。
8.一種計算機可讀存儲介質,其上存儲有計算機程序/指令;其特征在于,所述計算機程序/指令被處理器執行時實現上述權利要求1~6之一所述方法的步驟。
9.一種計算機程序產品,包括計算機程序/指令;其特征在于,該計算機程序/指令被處理器執行時實現上述權利要求1~6之一方法的步驟。