一种高精度大气折射率误差计算方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度大气折射率误差计算方法，在地面到离地1km的范围内，大气折射率呈线性衰减，当目标高度在此范围内时，利用线性插值法得到该目标的大气折射率；在离地面1km以上的范围内，大气折射率成指数衰减，当目标高度在此范围内时，利用指数插值法得到该目标的大气折射率，并利用该大气折射率计算出目标的误差。本发明专利技术能够降低大气折射率的误差，提高大气折射率的计算精度，从而提高雷达对目标的定位和测速精度。

A High Precision Method for Calculating Atmospheric Refractive Index Error

The invention discloses a high-precision calculation method of atmospheric refractive index error. The atmospheric refractive index decreases linearly in the range of 1 km from ground to ground. When the target height is within this range, the atmospheric refractive index of the target is obtained by linear interpolation method. Within the range of 1 km above ground, the atmospheric refractive index decreases exponentially, and when the target height is within this range, the index is used. The atmospheric refractive index of the target is obtained by interpolation method, and the error of the target is calculated by using the atmospheric refractive index. The invention can reduce the error of atmospheric refractive index and improve the calculation accuracy of atmospheric refractive index, thereby improving the positioning and velocity measurement accuracy of radar for targets.

【技术实现步骤摘要】
一种高精度大气折射率误差计算方法
本专利技术涉及电波折射率计算领域，具体涉及一种高精度大气折射率误差计算方法。
技术介绍
在现代战争中，雷达是不可或缺的一种探测设备，高精度的雷达不仅可以对目标进行精确的定位和测速，而且也能够对目标进行准确识别，从而为攻击和防御系统的有效运行奠定坚实的基础。在雷达从地面对空中目标的探测中，雷达无线电信道是空中大气，由于空中大气是折射率不等于1的不均匀媒质，因此雷达在工作中，其电波必定会产生折射效应，从而使得电波射线产生弯曲、传播速度小于光速、多普勒频率不再正比于目标的径向速度等现象，最终导致雷达在对目标的探测中产生折射误差。为了提高雷达的探测精度，必须对引起大气折射的误差的大气折射率进行计算，其计算精度将直接影响雷达对目标的定位和测速精度。决定大气折射误差的主要因素有两个，一个电波折射修正算法误差，或称为公式误差，另一个是电波折射修正中采用的空中大气折射率剖面(随高度变化)误差，或称为大气折射率误差。经过几十年的研究，电波折射修正的公式误差已很小，常用的以电波射线描迹法为代表的电波折射修正算法已具有很高的精度。目前限制电波折射误差修正精度的主要因素是大气折射率误差，由于大气折射率误差在实际的空间环境中大气是分层的，所以电磁波在传播时其传播射线要发生不同程度的弯曲，由斯奈尔定律可知，雷达电波射线上大气折射率的准确性是影响电波折射误差修正精度的关键因素之一。这就需要在实际应用中精确获得雷达电波射线处的大气折射率。目前大气折射率剖面的获取方法较多，按种类分主要有直接探测法、模式法和反演法等三种。直接探测法主要是在雷达所在地采用五九型探空仪、电子探空仪、ADAS探测系统等进行不同高度处的大气温度、气压湿度等参数探测，然后利用大气折射率与温度、气压和湿度的函数关系计算出对应高度处的大气折射率值，从而获得雷达所在地的大气折射率剖面，称为离散剖面；模式法是对雷达所占地的大气折射率剖面进行多次探测，然后对这些数据进行统计，获得该地的大气折射率模型；反演法是利用微波辐射计或GPS等在雷达所占地进行测量，进而反演出该地的大气折射率剖面。这三类方法相比，直接探测法获得大气折射率剖面的精度最高，这也是高精度电波折射修正中采用该方法获得大气折射率剖面的缘故。在大气折射率的直接探测法中，探测器一般由氢气球或氦气球携带自由升空，探测器每隔10秒左右发出一组大气参数，因此采用直接探测法获得的大气折射率剖面是一不等高度间隔的离散数据，即不同的离地高度与相应高度处的大气折射率值。在电波折射修正中，为了确保计算精度，一般描迹电波射线的步长很短，这样电波折射计算中用到的各点处大气折射率需要通过对已获得的大气离散剖面进行插值得到。目前在应用于电波折射修正中的大气折射率的所有插值方法中，都采用线性插值算法，即没有实测值的折射率由该高度前后两个相邻有实测值进行线性插值得到。根据大气折射率随高度的变化规律可知，大气折射率随高度一般分为三段变化，第一段(地面到离地1km范围)的大气折射率随高度呈线性衰减，第二段(地面1km到海拔9km范围)和第三段(海拔9km到对流层顶60km)的大气折射率随高度呈指数衰减，但是这两段大气的指数衰减系数不同。如果在电波折射修正中，第一段大气电波射线上的折射率采用线性插值其精度是较高的，但是在第二或第三段大气采用线性插值，由于大气直接探测得到的离散数据的相邻高度一般都在几百米或几千米，线性插值与实际大气折射率变化规律不相符，因此会产生较大的误差，进而影响电波折射修正精度，最终影响雷达的探测精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高精度大气折射率误差计算方法，能够降低大气折射率的误差，提高大气折射率的计算精度。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高精度大气折射率误差计算方法，包括：①在地面到离地1km的范围内，大气折射率呈线性衰减，当目标高度在此范围内时，利用线性插值法得到该目标的大气折射率；②在离地面1km以上的范围内，大气折射率成指数衰减，当目标高度为离地1km到最大实测探空离散数据最高处hT范围内时，首先计算出离地1km处的大气折射率N1，其对应的海拔高度为hs+1，并假设大于hs+1高度的第一个实测大气折射率剖面的高度为hk+1，高度hk+1处对应的大气折射率为Nk+1，令hs+1高度处的大气折射率为Nk，Nk＝N1，并令hs+1＝hk，然后计算出实测探空离散数据中相邻两高度hk和hk+1之间的衰减系数Ck，即对于高度hk和高度hk+1范围内不同高度对应的大气折射率Ni采用如下公式得到其中，hi表示目标高度，下标T和s均为区分作用，并非变量；③当目标高度大于实测探空离散数据最高处hT以上范围时，由于此部分没有实测数据，而只能用全国大气探测数据统计结果，即C9＝0.1424，对于该部分大气折射率，首先由式(1)和式(2)计算出海拔9km高度处的大气折射率N9，然后根据公式(3)计算出该范围内任意高度的大气折射率Ni，即④分别基于步骤①、步骤②和步骤③得到的大气折射率进行电波折射误差计算，从而得出目标的误差。优选的，所述①中，利用线性插值法计算大气折射率时，假设目标高度hi处的大气折射率为Ni，而Ni处于实测大气折射率剖面中的高度hj和hj+1之间，它们对应的大气折射率分别为Nj和Nj+1，则采用线性插值可得到：其中，Nj和Nj+1均可根据大气折射率剖面中获取，其均为现有数据，i＝1，2，3…；j＝1，2，3…；利用(4)式可以得到地面到离地1km的范围内的各个高度上的大气折射率值。优选的，所述④中，若目标处在低于60km的低层大气中，根据雷达测量目标的视在距离的定义和其相关的几何关系可得出以下数学表达式：式中，Re表示雷达的视在距离，c表示无折射的真空速度，t表示电波在低层大气中的传播时间，h0表示雷达观测站的海拔高度，ht表示实测大气折射率剖面的最高高度，n表示目标高度hi的大气折射指数，n＝1+N×10-6，cscθ的值可由斯奈尔定律变形得出，hi表示的是在不大于实测大气折射率剖面最高高度以内的目标高度，下标e、0、t和i均为区分作用，并非变量；令任意高度上的矢径数值为r＝a+h，雷达测量站至地心的距离是r0＝a+h0，r表示当地的地球半径，a表示地球的地球半径，h表示当地在电波射线轨迹上的海拔高度，h0表示雷达观测站的海拔高度，因此斯奈尔定律可写为：n(a+h)cosθ＝n0(a+h0)cosθ0(6)则：将式(7)代入式(5)中，即可得到雷达的视在距离为：地心张角与海拔高度h的关系为：将上式左右两边同时进行积分，得：其中，θ0表示雷达的视在仰角θ0，θ表示在海拔h处的射线的仰角；根据三角形正弦定理知：其中，α0表示目标的真实仰角，表示地心张角；由式(11)可得目标的真实仰角α0为：再次由正弦定理可知：从而可推导出雷达观测站到目标的真实距离为：已知雷达的视在距离Re、视在仰角θ0，以及目标的真实仰角α0、真实距离R0，可以得出目标的距离的误差ΔR及仰角的误差ε，即：以上，h为电波射线轨迹上某点的地面高度，是个变量，h0代表雷达观测站的海拔高度，hi是目标高度，hs为地面海拔高度，主要用于大气折射率指数模型，hk表示实测大气折射率剖面数据中的某个值。本专利技术根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度大气折射率误差计算方法，其特征在于，包括：①在地面到离地1km的范围内，大气折射率呈线性衰减，当目标高度在此范围内时，利用线性插值法得到该目标的大气折射率；②在离地面1km以上的范围内，大气折射率成指数衰减，当目标高度为离地1km到最大实测探空离散数据最高处hT范围内时，首先计算出离地1km处的大气折射率N1，其对应的海拔高度为hs+1，并假设大于hs+1高度的第一个实测大气折射率剖面的高度为hk+1，高度hk+1处对应的大气折射率为Nk+1，令hs+1高度处的大气折射率为Nk，Nk＝N1，并令hs+1＝hk，然后计算出实测探空离散数据中相邻两高度hk和hk+1之间的衰减系数Ck，即

【技术特征摘要】
1.一种高精度大气折射率误差计算方法，其特征在于，包括：①在地面到离地1km的范围内，大气折射率呈线性衰减，当目标高度在此范围内时，利用线性插值法得到该目标的大气折射率；②在离地面1km以上的范围内，大气折射率成指数衰减，当目标高度为离地1km到最大实测探空离散数据最高处hT范围内时，首先计算出离地1km处的大气折射率N1，其对应的海拔高度为hs+1，并假设大于hs+1高度的第一个实测大气折射率剖面的高度为hk+1，高度hk+1处对应的大气折射率为Nk+1，令hs+1高度处的大气折射率为Nk，Nk＝N1，并令hs+1＝hk，然后计算出实测探空离散数据中相邻两高度hk和hk+1之间的衰减系数Ck，即对于高度hk和高度hk+1范围内不同高度对应的大气折射率Ni采用如下公式得到其中，hi表示目标高度，下标T和s均为区分作用，并非变量；③当目标高度大于实测探空离散数据最高处hT以上范围时，由于此部分没有实测数据，而只能用全国大气探测数据统计结果，即C9＝0.1424，对于该部分大气折射率，首先由式(1)和式(2)计算出海拔9km高度处的大气折射率N9，然后根据公式(3)计算出该范围内任意高度的大气折射率Ni，即④分别基于步骤①、步骤②和步骤③得到的大气折射率进行电波折射误差计算，从而得出目标的误差。2.如权利要求1所述的一种高精度大气折射率误差计算方法，其特征在于：所述①中，利用线性插值法计算大气折射率时，假设目标高度hi处的大气折射率为Ni，而Ni处于实测大气折射率剖面中的高度hj和hj+1之间，它们对应的大气折射率分别为Nj和Nj+1，则采用线性插值可得到：其中，Nj和Nj+1均可根据大气折射率剖面中获取，其均为现有数据，i＝1，2，3…；j＝1，2，3…；利用(4)式可以得到地面到...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑜，李盼盼，李爽，朱一帆，秦元基，王晓雪，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41