一种基于月基平台的地球向外辐射能量计算方法与流程

本发明属于月基探测平台对地球向外辐射能量观测技术领域，具体涉及一种基于月基平台的地球向外辐射能量计算方法。

背景技术：

近几十年来，全球气候变化已经成为当下极为紧迫的社会和科学问题，而全球气候变化的主要因素是地球气候系统的能量收支平衡，以大气层顶作为研究参考面则地球气候系统的动态变化是由进入的太阳辐射和向外发出的地球辐射这两部分能量驱动。地球向外发出的辐射能量有两种形式：反射太阳短波(sw)辐射和地球本身向外的长波红外(lw)辐射，而对于这两个量的精确测量在很大程度上依赖于空间测量技术的发展。目前地球气候系统向外辐射能量的探测主要是通过星基、地基等手段来实现的，比如美国国家航空航天局(nasa)和欧洲气象卫星开发组织(eumetsat)分别发射的terra、aqua和meteosat卫星等。星基平台所搭载的传感器存在的观测范围较小、持续周期较短，复现性较差的缺陷，而地基探测器存在分布均匀性差、观察网络站点有限等缺陷。月球是距离地球最近的自然天体，也是人类目前唯一能够到达且已经到达的地外星体，它具有观测长期一致性、整体性和稳定性的优势，同时月球与地球距离三十余万公里，小型望远镜就可以获得地球整个圆盘面的观测，而且月球广阔的空间可以布设多种传感器，便于实现多种探测器对地球的协同观察。此外，月球不存在大气层并且月震的强度远远弱于地球，再加上月表相对稳定的辐射环境，这为月表探测器的精确定标提供了可能。当然，月表探测器也将面临许多的挑战，巨大的昼夜温差、来自外太空的高能粒子、悬浮的月尘以及高度真空的空间环境等。

将月球表面作为一个新的对地观测平台，可以实现将地球作为一个整体进行综合观测，提高大尺度对地观测能力。基于月基平台的对地球向外辐射能量的月基探测器可以充分发挥月基平台的优势，实现对地球能量平衡进行更长时间更全面的连续观测。本发明的主要目的是提出一种计算月表单位对地可见面积接受到地球向外长波与短波的能量大小的方法，可以实现在任意时刻对月表任意处接受地球向外辐射能量的计算，该计算能量值即可为基于月基平台对地球向外辐射能量探测器(比如腔式辐射计、成像光谱仪)的系统参数设计提供数据参考和技术支持，同时也将为月球表层温度的精确计算和分析、月球热演化中地球的作用与影响、月表探测器的放置位置以及其热控设计等提供所需要的数据。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于月基平台的地球向外辐射能量计算方法，利用此方法可以计算得到在任意时刻任意月表对地可见位置处单位对地可见面积接受到的地球向外辐射能量。

为达到上述目的，本发明所述一种基于月基平台的地球向外辐射能量计算方法，1.一种基于月基平台的地球向外辐射能量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定月表待分析点位置x和计算时刻t；

步骤2、计算地心在月球表面星下点的经纬度、月心在地球大气层顶的星下点经纬度以及地球大气层顶与月球表面内公切线夹角；

步骤3、根据步骤2得到的地心在月球表面星下点的经纬度以及地球大气层顶与月球表面内公切线夹角，建立地球与月球两者之间的观测几何模型，并根据地球与月球之间的观测几何模型得到月球表面待分析计算位置对整个地球大气层顶的可见性，进而得到月球表面对地球整个大气层顶的可见区域范围，月球表面对地球可见区域中的点可记为月表对地可见点h；

步骤4、建立太阳、地球以及月球三者之间的观测几何模型，基于所述观测几何模型对地球大气层顶进行离散网格划分，然后分别确定月表对地可见点h对地球整个大气层顶向外长波和短波辐射能量的可见离散网格；

步骤5、计算每个离散网格处长波与短波辐射能量对月表对地可见点h处单位可视面积的辐射能量的贡献值，求和每一个可见网格区域的能量贡献值，即为t时刻该月表对地可见点h对地单位可见面积所接受到的地球辐射能量。

进一步地，步骤2的过程为：用de430星历文件获取太阳、地球和月球之间实时的相对位置坐标，并引入地球指向参数进行月球天球坐标系、月心月固坐标系、地心天球坐标系以及地心地固坐标系之间的转换，得到地心在月球表面星下点的经纬度、月心在地球大气层顶的星下点经纬度以及地球大气层顶与月球表面内公切线夹角。

进一步地，步骤3中，建立的地球与月球两者之间的观测几何模型，包括月球和地球，月球是半径rm为1737.4km的正球体，月球的球心记为om，月球上的点x为月表待分析点位置，地心在月表的星下点记为f；地球为半径为6371km，大气层顶高100km的正球体，地球大气层顶半径为re，地球的球心记为oe，地球和月球的两条内公切线l2和l3所对应的球心角度的二分之一记为γ，月表待分析点位置x和月球球心的连线与地月连线之间的夹角记为角σ。

进一步地，步骤3中，当月表待分析点位置x满足公式(1)时，则月表待分析点位置x对地球整个大气层顶的可见，否则不可见；

σ<γ(1)；

其中，cosσ＝cosθxcosθfcos(φx-φf)+sinθxsinθf(2)；

其中，θf是地心在月表的星下点f的经度，是地心在月表的星下点f的纬度，θx是任意月表分析点x的经度，是任意月表分析点x的纬度；h为地球的大气层高度，dme为地心与月心之间的连线距离。

进一步地，步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、根据步骤2得到的月心在地球大气层顶的星下点经纬度、太阳在地球大气层顶的星下点经纬度以及地球大气层顶与月球表面内公切线夹角，建立太阳、地球以及月球三者之间的观测几何模型；

步骤4.2、基于步骤4.1建立的太阳、地球以及月球三者之间的观测几何模型将地球大气层顶区域离散为n°×n°的网格，每一个离散网格的中心点为离散网格节点；

步骤4.3、判断离散网格节点是否同时满足公式(4)和公式(5)，当离散网格节点满足公式(4)和公式(5)时，则月表对地可见点h能接受到该离散网格所代表的大气层顶区域反射的太阳短波能量；而月表对地可见h能观测到来自地球大气层顶任意节点g的长波能量；

上式中，∠α1为向量和向量的夹角；gh为月表对地可见点h和自地球大气层顶任意节点g连接形成的线段，为dw的法向量，dw表示大气层顶单位面积，β角为太阳光向量与向量的夹角。

进一步地，步骤4.2中，n为1。

进一步地，步骤5包括以下步骤：

步骤5.1、月表对地可见点h处对地球单位可见面积接受到的长波和短波辐射能量分别由公式(6)和公式(7)计算：

长波:

短波:

其中，ql为月表对地可见点h处对地球单位可见面积接受到的长波辐射能量，qs为月表对地可见点h处对地球单位可见面积接受到的短波辐射能量，ei为每一个大气层顶可见离散区域的热辐射功率，si为每一个大气层顶可见离散区域的太阳常数，ρi为每一个大气层顶可见离散区域的行星反照率,xl,i为每一个大气层顶可见离散区域对月表单位面积dz的长波角系数，xs,i为每一个大气层顶可见离散区域对月表单位面积dz的短波角系数，i为每一个大气层顶可见离散区域标号；

步骤5.2、步骤5.1中的xl,i和xs,i进一步写成下式：

其中，α2为与向量的夹角，l1为dw和dz中心的连线gh长度，dz表示月表单位面积，dw表示地表单位面积；

步骤5.2中的dw进一步写成公式(10)：

其中，a为地球大气层顶处赤道半径，b为大气层顶处的极地半径，θ为大气层顶每一离散小区域的中心点维度；ds是弧长，dθ为维度单位增量，为经度的单位增量；l是大气层顶每一离散小区域中心点到地心的距离；

步骤5.3、由公式(7)～(10)综合得到月表对地可见点h处对地球单位可见面积接受到的地球整个大气层顶向外辐射长波与短波能量计算公式如下：

长波：

短波：

进一步地，步骤5.1中，每一个大气层顶可见离散区域的热辐射功率ei为240wm^-2，每一个大气层顶可见离散区域的太阳常数si为1364wm^-2，每一个大气层顶可见离散区域的行星反照率ρi为0.296。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明利用辐射传输和能量守恒定律，在步骤二解算星历数据结合地球指向参数(eop)与坐标转换关系建立几何关系的基础上，通过步骤三对地球大气层顶可见区域的网格离散，利用步骤四积分求和的方法可以较为准确的计算得到在任意时刻任意月表对地可见位置处单位对地可见面积接受到的地球大气层顶的向外长波与短波的辐射能量。

进一步的，本发明提出的计算方法由于使用了精确的星历数据、地球指向参数以及几何关系，因此所得到的能量值数据更加接近该能量值的真实值，远优于现有依据简单能量平衡的简单估算值，同时利用该方法所得到数据值可以更好的体现日、地、月三者运行规律以及月表位置差异对该值的影响，为后期对该数据的合理使用和准确解译提供的可能和保障，并且该计算能量值即可为基于月基平台对地球向外辐射能量探测器(比如腔式辐射计、成像光谱仪)的系统参数设计提供数据参考和技术支持，同时也将为月球表层温度的精确计算和分析、月球热演化中地球的作用与影响、月表探测器的放置位置以及其热控设计等提供所需要的数据。

进一步的，步骤4.1中，n为1，既满足计算精度，又不至于有过大的计算量。

附图说明

图1为月表任意点h对地球大气层顶观测几何图；

图2为月表与地球大气层顶辐射能量计算模型。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

参照图1和图2，一种基于月基平台的地球向外辐射能量计算方法，包括以下步骤：

步骤1、确定月表待分析点位置x和计算时刻t。

步骤2、利用美国喷气推进实验室的de430星历文件获取太阳、地球和月球之间实时的相对位置坐标，并引入地球指向参数(eop)进行月球天球坐标系、月心月固坐标系、地心天球坐标系以及地心地固坐标系之间的转换，得到地心在月球表面星下点的经纬度、月心在地球大气层顶的星下点经纬度、太阳在地球大气层顶的星下点经纬度以及地球大气层顶与月球表面内公切线夹角。

步骤3、根据步骤1和步骤2得到的地心在月球表面星下点的经纬度以及地球大气层顶与月球表面内公切线夹角，建立如图1所示的月球与地球大气层顶两者之间的观测几何模型，并得到月球表面待分析计算位置对整个地球大气层顶的可见性。若可见，则利用辐射能量守恒定律计算该月表该位置处在该时刻对地球整个大气层顶对地单位可视面积接受到的地球向外辐射能量ql和qs；若不可见，则该计算位置处在该时刻不能接受到地球向外辐射能量。

利用图1所示几何模型确定月表待分析点x对地球整个大气层顶的可见性,从而确定月表对地球的可见点位置。具体过程如下：

假定月球和地球大气层顶均为规则的圆球体，通过地月间的相对位置关系，根据空间几何关系建立月表待分析点位置x对地球整个大气层顶的观测几何模型。

步骤3.1建立的地球与月球两者之间的观测几何模型中，假定月球是半径rm为1737.4km的规则正球体，并且假定所观察地球为半径为6371km，大气层顶高100km的正球体，如图1所示。re为地球大气层顶半径(6471km)，rm为月球半径，oe为地球的球心，om为月球的球心，x为月表待分析点位置(代表月基探测平台的可能放置区域)，r为月心在地球大气层顶上的星下点，f为地心在月表的星下点，角γ为地球和月球的两条内公切线l2和l3所对应的球心角的二分之一，角σ为月表待分析点位置x和月球球心的连线与地月连线之间的夹角。dme为地球和月球球心连线，点a为地球和月球的内公切线l3与月球的切点，点b为地球和月球的内公切线l2与月球的切点，点c为地球和月球的内公切线l2与地球的切点，点d为地球和月球的内公切线l3与地球的切点；若月表待分析点位置x位于地球和月球两个球体内公切线所成的月表球冠omafb上,即同时满足公式(1)，则位置x对地球整个大气层顶的可见，可以后续步骤计算该位置处接受到地球大气层顶向外辐射能；否则，位置x对地球整个大气层顶的不可见，即该位置x处在该时刻不能接受到地球大气层顶向外辐射能。

σ<γ(1)

其中，cosσ＝cosθxcosθfcos(φx-φf)+sinθxsinθf(2)

其中，θf是星下点f的经度，是星下点f的纬度，θx是任意月表分析点x的经度，是任意月表分析点x的纬度；h为地球的大气层高度，dme为地心与月心之间的连线距离。

步骤4、根据步骤1得到的月心在地球大气层顶的星下点经纬度、太阳在地球大气层顶的星下点经纬度以及地球大气层顶与月球表面内公切线夹角，建立太阳、地球以及月球三者之间的观测几何模型，建立方法与步骤3.1中的相同，区别在于太阳以及太阳光线的加入，然后地球大气层顶进行离散网格划分，分别计算得到月球表面对地可见位置处对地球整个大气层顶向外辐射长波和短波能量的可见离散网格区域。在步骤3得到月球表面对地球整个大气层顶的可见区域范围，将月球表面对地球可见区域中的点记为月表对地可见点h；

月表对地可见点h与地球大气层顶的辐射能量计算模型如图2所示，dw表示大气层顶的单位面积，dz表示月表单位面积，l1为dw和dz中心的连线gh长度，为dw的法向量、为dz的法向量，α1为与向量的夹角、α2为与向量的夹角，β角为由太阳在地球大气层顶的星下点经纬度确定的太阳光向量与向量的夹角，j、k分别为月表对地可见点h与地球大气层顶公切线的两个交点。

步骤4.1、将地球大气层顶区域离散为n°×n°的网格，n的取值视实际情况而定，可取为0.1、0.5、1、2.5等，每一个离散网格区域的中心点为离散网格节点。当需要计算结果精度更高时，n的取值越小；当计算精度要求不高时，n的取值可取稍微大的数值，n越大计算量越小，计算时间越短。

步骤4.2、为了保证在月表对地可见点h处能接受到来自大气层顶反射的太阳短波(0.2～5μm)能量，则离散网格节点必须同时满足公式(4)和(5)；而月表对地可见点h能接受到其可见区域内地球大气层顶任意节点g的长波(5～200μm)能量。

上式中，∠α1为向量和向量的夹角。

步骤5、利用图2所示计算月表对地可见点h处对地球单位可见面积接受到的地球整个大气层顶向外辐射长波与短波能量。由步骤4中得到地球大气层顶可见区域的离散网格，然后计算每个离散网格处长波与短波辐射能量对月表对地可见点h处单位可视面积的辐射能量的贡献值，最后求和每一个可见网格区域的能量贡献值，即为在该时刻月表对地可见点h处对地单位可见面积所接受到的地球辐射能量分别为ql和qs。

步骤5.1、月表对地可见点h处对地球单位可见面积接受到的长波和短波辐射能量可由下式计算：

长波:

短波:

其中，ql为月表对地可见点h处对地球单位可见面积接受到的长波辐射能量，qs为月表对地可见点h处对地球单位可见面积接受到的短波辐射能量，ei为每一个大气层顶可见离散区域的热辐射功率，si为每一个大气层顶可见离散区域的太阳常数，ρi为每一个大气层顶可见离散区域的行星反照率,xl,i为每一个大气层顶可见离散区域对月表单位面积dz的长波角系数，xs,i为每一个大气层顶可见离散区域对月表单位面积dz的短波角系数，i为每一个大气层顶可见离散区域标号。

步骤5.2、步骤5.1中的xl,i和xs,i进一步可以写成下式：

长波：

短波：

步骤5.3、步骤5.2中的dw可以进一步写成下式：

其中a为地球大气层顶处赤道半径，b为大气层顶处的极地半径，θ为大气层顶每一离散小区域的中心点维度；ds是弧长，dθ为维度单位增量，为经度的单位增量；l是大气层顶每一离散小区域中心点到地心的距离。

步骤5.4、由方程式(7)～(10)综合可得月表对地可见点h处对地球单位可见面积接受到的地球整个大气层顶向外辐射长波与短波能量可由下式计算得到：

长波：

短波：

其中ei、si和ρi可以根据目前的文献研究知分别可取为240wm^-2、1364wm^-2、0.296。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。