专利名称：大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及大气环境探测技术领域，特别是涉及一种大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正装置。
背景技术：
大气环境主要包括对流层、电离层,作为信息系统的信息传输途径,大气环境直接影响电子信息系统的工作性能。这是因为无线电波在大气中传播时，由于大气介质有耗、不均匀和时变等原因会使电波产生吸收、散射、反射、折射和闪烁等现象，其中的大气折射效应会引起电波传播时间延迟和路径弯曲，使得信号传播的速度、方向均发生了一定的变化，导致电波传播距离和角度的跟踪和定位误差。在航天测控、雷达探测、导航定位等高精度的测控系统中，必须对系统测量值进行折射误差修正，以补偿由于电波环境引起的误差。可见基于实际大气折射率剖面提高雷达目标探测、测控、导航以及卫星侦察的定位精度具有重要意义。因此，开展具有大气实时探测和相关应用方面的技术研究是十分必要的。目前，传统无线电探空尽管精度高，但操作复杂，成本高，气象部门每天只测量两次，时间分辨率低，每次测量平均时间约I小时，实时性不够。电离层垂测仪精度高，但只能给出电离层临频和峰高，不能给出电离层电子密度剖面。差分GPS技术精度高，但只能给出对流层参数的相对量；如果需要绝对量，需要在参考站另加设备给出绝对量；相比单站GPS，差分GPS具有成本高、可移动性差、操作复杂等局限性。且对流层探空技术只能针对对流层实施探测，电离层垂测技术只针对电离层开展探测，缺乏能针对从地面到2000km高度范围内包括了对流层和电离层的大气电波环境探测的技术，因而无法同时对对流层和电离层的折射误差实时修正。
发明内容
为了解决现有技术中无法同时对对流层和电离层的折射误差实时修正的问题，本发明提供了一种大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正方法。本发明的大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正系统包括微波辐射计，用于实时探测对流层折射率剖面；单站全球定位系统GPS，用于实时探测电离层电子密度首Ij面；一体化实时修正单元，用于基于所述对流层折射率剖面、所述电离层电子密度剖面以及探测目标的视在距离和视在仰角参数，以射线描迹方法实时计算电波折射误差修正量，包括距离误差修正量、仰角误差修正量和速度误差修正量。进一步地，所述单站GPS采用卡尔曼滤波方法剔除GPS的硬件延迟误差。其中，所述微波辐射计为多通道微波辐射计。进一步地，所述对流层折射率剖面、所述电离层电子密度剖面获得所述探测目标的真实距离和真实仰角，再通过以下计算得到所述距离误差修正量和所述仰角误差修正量距离误差修正量=视在距离-真实距离，仰角误差修正量=视在仰角-真实仰角；然后根据速度的定义是距离径向变化率得到所述速度误差修正量，为所述距离误差修正量的变化率。进一步地，所述微波辐射计中含有针对阴天环境的对流层折射率剖面的正演模块，用于在阴天条件下实时反演对流层折射率剖面。进一步地，所述针对阴天环境的对流层折射率剖面的正演模块通过阴天正演模型反演阴天条件下对流层折射率剖面，建立所述阴天正演模型时，将仿真的云天亮温与实测亮温对比，以调整入云阀值，当仿真的云天亮温与实测亮温足够符合时，将该亮温值作为模型的入云阀值，用于反演阴天条件下的对流层折射率剖面；其中所述足够符合是指仿真的云天亮温与实测亮温的差在预定范围内。本发明有益效果如下与现有方法相比，本发明克服了传统方法不能同时探测对流层和电离层参数的缺点，适合从地面至IOOOkm内和IOOOkm以外的任意高度目标的折射修正,综合了微波福射计和单站GPS接收机的优点，实现了同时实时修正对流层和电离层电波折射误差，具有精度高、实时性好、无人值守、可移动性强、成本低、操作简单等优点，为进一步提高我国航空测量、深空测量和弹道测量等系统精度提供技术支撑。
图1是本发明大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正装置的结构示意图。图2是以本发明实施例计算电波折射修正量的处理流程图。图3是本发明实施例的微波辐射计的阴天正演过程示意图。图4是本发明实施例利用单站GPS数据计算电离层VTEC的流程图。图5是本发明实施例某地区微波辐射计反演折射率剖面结果。图6是本发明实施例某地区单站地基GPS反演电离层电子密度剖面结果。图7、图8和图9分别为本发明实施例某目标的距离误差、仰角误差和速度误差的修正结果对比图。
具体实施例方式以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。图1是本发明大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正装置的结构示意图，其具体包括微波辐射计，用于实时探测对流层折射率剖面；单站GPS (Global Positioning System,全球定位系统),用于实时探测电离层电子密度剖面；一体化实时修正单元，用于基于探测得到的对流层折射率剖面和电离层电子密度剖面，结合探测目标的视在距离和视在仰角参数，以射线描迹方法实时计算电波折射误差修正量，包括距离误差修正量、仰角误差修正量和速度误差修正量。上述技术方案由于利用了一体化实时修正单元对探测数据进行处理，可实现对任意高度目标的探测和电波折射误差修正的计算，达到同时对对流层和电离层的折射误差实时修正的目的。相对于以往仅针对对流层或电离层的单一化修正技术，上述技术方案对探测目标的高度没有特殊要求，且上述方案以单站GPS观测数据估计电离层电子总含量VTEC，进而实时反演电离层电子密度剖面，以单站GPS获取所需电离层电子密度剖面，投入成本大幅降低。为了更为详细的介绍本发明的技术方案，以下描述本发明的具体实施例。图2是采用本发明的一个实施例来计算电波折射修正量的处理流程图，通过以下步骤实现:S101、根据微波辐射计测量反演对流层折射率剖面。根据微波辐射计测量大气辐射亮温和地面气象参数，采用改进线性回归方法，针对阴天条件，建立适合阴天条件的反演模型，实时反演对流层折射率剖面，进一步提高微波辐射计的环境适应性；S102、根据单站地基GPS观测数据，反演电离层电子密度剖面。根据单站地基GPS观测数据，结合GPS广播星历，采用遗传算法实时反演电离层电子密度剖面；S103、由一体化实时修正单元采用射线描迹方法计算电波折射误差修正量。采用射线描迹方法，根据大气剖面，实时计算出距离、仰角和速度电波折射误差修正量。具体来看，SlOl是基于大气吸收和辐射原理，根据微波辐射计探测原理，对历史探空数据进行处理，建立微波辐射计反演对流层折射率剖面的正演模型。例如对某地历史探空数据预处理，选择有效的观测数据，基于大气辐射传输方程，可得地面微波辐射计向上观测时所测大气向下辐射的亮度温度为:
权利要求
1.一种大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正装置，其特征在于，包括: 微波辐射计，用于实时探测对流层折射率剖面； 单站全球定位系统GPS，用于实时探测电离层电子密度剖面； 一体化实时修正单元，用于基于所述对流层折射率剖面、所述电离层电子密度剖面以及探测目标的视在距离和视在仰角参数，以射线描迹方法实时计算电波折射误差修正量，包括距离误差修正量、仰角误差修正量和速度误差修正量。
2.如权利要求1所述的大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正装置，其特征在于，所述微波辐射计为多通道微波辐射计。
3.如权利要求1所述的大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正装置，其特征在于，所述单站GPS采用卡尔曼滤波方法剔除GPS的硬件延迟误差。
4.如权利要求1所述的大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正装置，其特征在于，所述一体化实时修正单元先基于所述对流层折射率剖面、所述电离层电子密度剖面获得所述探测目标的真实距离和真实仰角，通过以下计算得到所述距离误差修正量和所述仰角误差修正量: 距离误差修正量=视在距离-真实距离， 仰角误差修正量=视在仰角-真实仰角； 然后根据速度的定 义是距离径向变化率得到所述速度误差修正量，为所述距离误差修正量的变化率。
5.如权利要求1所述的大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正装置，其特征在于，所述微波辐射计中含有针对阴天环境的对流层折射率剖面的正演模块，用于在阴天条件下实时反演对流层折射率剖面。
6.如权利要求5所述的大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正装置，其特征在于，所述针对阴天环境的对流层折射率剖面的正演模块通过阴天正演模型反演阴天条件下对流层折射率剖面，建立所述阴天正演模型时，将仿真的云天亮温与实测亮温对比，以调整入云阀值，当仿真的云天亮温与实测亮温足够符合时，将该亮温值作为模型的入云阀值，用于反演阴天条件下的对流层折射率剖面；其中所述足够符合是指仿真的云天亮温与实测亮温的差在预定范围内。
7.如权利要求6所述的大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正装置，其特征在于，所述阴天正演模型对应的反演模型通过改进的线性回归方法训练数据，以建立数据与反演参数之间的关系，所述改进的线性回归方法包括: 基于JV1 = 77.6 X —+ 3.73x10' 和 N2 = aJa1Ua2Ua3PJa4PJa5RHtl,根据大气折射率的计算式，改变地面气象参数的输入形式，得到JV3 =a0+ CiiTm + a2TB2 +a3^- + a4 —； 其中，N1为大气折射率的物理模型，P为大气压强，e为水汽压强，T为大气温度； N2为大气折射率的经典线性回归模型，an为回归系数，Tbi, Tb2是微波辐射计在不同频率下测得的亮温值，Po、T0和RHtl分别是地面的压强、温度和相对湿度； N3为大气折射率的改进的线性回归模型，e0为地面的水汽压强；训练数据时以改进的线性回归模型计算大气折射率，反演时基于地面的温度、相对湿压和亮温测量数据，以训 练好的反演模型反演对流层折射率剖面。
全文摘要
本发明公开了一种大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正系统，包括微波辐射计，用于实时探测对流层折射率剖面；单站GPS，用于实时探测电离层电子密度剖面；一体化实时修正单元，用于基于对流层折射率剖面、电离层电子密度剖面以及探测目标的视在距离和视在仰角参数，以射线描迹方法实时计算电波折射误差修正量，包括距离误差修正量、仰角误差修正量和速度误差修正量。本发明克服了传统方法不能同时探测对流层和电离层参数的缺点，实现了同时实时修正对流层和电离层电波折射误差，具有精度高、实时性好、无人值守、可移动性强、成本低、操作简单等优点，为提高我国航空测量、深空测量和弹道测量等系统精度提供技术支撑。
文档编号G01W1/00GK103076616SQ201310001890
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者朱庆林, 赵振维, 林乐科, 康士峰, 刘琨, 李江漫, 孙方, 董翔 申请人:中国电子科技集团公司第二十二研究所