CN117556169B - 一种电波折射误差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电波折射误差修正方法，包括：根据测量距离计算待测目标到地心的第一近似地心距离；其中，所述测量距离为探测设备测量得到的目标距离；根据所述第一近似地心距离计算所述第一近似地心距离对应的第一近似视在距离与第一近似地心角；根据所述第一近似视在距离与所述测量距离，通过迭代方式更新所述第一近似地心距离，并最终确定目标高度及所述目标高度对应的目标视在距离与目标地心角；其中，所述目标高度为最后一次更新得到的近似距离；根据所述目标高度、目标视在距离以及所述目标地心角计算所述待测目标的真实目标距离与真实仰角。本发明能够提高电波折射误差修正的效率和精度。

Description

一种电波折射误差修正方法

技术领域

本发明涉及数据误差修正领域，尤其涉及一种电波折射误差修正方法。

背景技术

电波折射修正一般用于外测数据的误差修正，对于探测设备，在探测过程中会受到对流层和电离层大气折射的影响，导致测距和测角结果出现偏差。在工程应用中，一般采用球面大气分层的假设。基于该假设的分层积分法进行迭代积分计算，是电波折射误差修正的常用方法。

现有技术方案主要针对对流层内的折射修正，对于电离层范围的修正一般默认为折射率为1，然而，对于电离层及以上区域的折射率不进行考虑，导致对流层以上区域的折射修正无法完全修正，同时对流层的快速积分方法对于电离层区域的适用性也存在一定问题，影响电波折射误差修正的精度。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的缺陷，提供一种电波折射误差修正方法，能够对任意高度的电波折射误差进行修正，提高电波折射误差修正的效率和精度。

本发明一实施例提供一种电波折射误差修正方法，包括以下步骤：

根据测量距离计算待测目标到地心的第一近似地心距离；其中，所述测量距离为探测设备测量得到的目标距离；

根据所述第一近似地心距离计算所述第一近似地心距离对应的第一近似视在距离与第一近似地心角；

根据所述第一近似视在距离与所述测量距离，通过迭代方式更新所述第一近似地心距离，并最终确定目标高度及所述目标高度对应的目标视在距离与目标地心角；其中，所述目标高度为最后一次更新得到的近似距离；

根据所述目标高度、目标视在距离以及所述目标地心角计算所述待测目标的真实目标距离与真实仰角。

进一步的，所述根据测量距离计算待测目标到地心的第一近似地心距离，具体包括：

设测量距离为R_e，则所述待测目标到地心的第一近似地心距离r_M0通过以下公式计算得到：

其中，r₀为探测设备电波发射点的地心距离，E₀为电波发射仰角。

进一步的，根据所述第一近似地心距离计算所述第一近似地心距离对应的第一近似视在距离与第一近似地心角，具体包括：

所述第一近似视在距离R_a(r₀,r_M0)以及第一近似地心角的的计算公式如下：

其中，h_E为电离层开始高度，h_F为电离层结束高度，R₁为对流层内距离积分函数，为对流层内角度积分函数，均通过高斯积分方法计算；R₂为电离层内距离积分函数，为电离层内角度积分函数，均通过分段高斯-勒让格积分方法计算；R₃为电离层外距离积分函数，为电离层外角度积分函数。

优选的，所述R₁、R₂、R₃的具体计算公式为：

其中，r_a与r_b分别为待定参数，L为迭代次数，r_kj＝min(r_j+U_k*Δr_j,r_b)，U_k与C_k均为高斯积分常数，n(r)为折射率函数；

其中，i_max为r_bi≥r_b时i的取值，r_bi＝min(r_b,r_a+ds*i(i+1)/2)，r_ai＝r_a+ds*i(i+1)/2，ds＝10000，r_k＝((r_b+r_a)+(r_b-r_a)*X_k)/2，A_k与X_k均为积分常数；

优选的，所述折射率函数n(r)具体为：

其中，N(r)为由预设对流层模型计算得出的对流层折射率指数，Ne(r)为由预设电离层模型计算得出的电离层电子密度，f为电波频率。

优选的，所述的具体计算公式为：

进一步的，所述通过迭代方式更新所述第一近似地心距离，并最终确定目标高度及所述目标高度对应的目标视在距离与目标地心角，具体包括：

开始迭代，对比所述测量距离R_e与所述第一近似视在距离R_a(r₀,r_M0)；

根据对比结果更新所述第一近似地心距离r_M0，得到第二近似地心距离r_M1；

根据所述第二近似地心距离r_M1计算得到第二近似视在距离R_a(r₀,r_M1)；

若(R_a(r₀,r_M1)-R_e)(R_e-R_a(r₀,r_M0))≥0，则终止迭代，否则根据R_a(r₀,r_M1)与R_e的对比结果继续迭代更新r_M1，直到更新i代得到r_Mi，使得R_a(r₀,r_Mi)与R_a(r₀,r_M(i-1))满足(R_a(r₀,r_Mi)-R_e)(R_e-R_a(r₀,r_M(i-1)))≥0后，终止迭代；其中，i为常数；

确定r_Mi为所述目标高度，R_a(r₀,r_Mi)为所述目标高度对应的目标视在距离，同时计算得到所述目标高度对应的目标地心角

优选的，根据对比结果更新近似地心距离的更新规则具体为：

若R_a(r₀,r_M(i-1))>R_e，则更新r_Mi＝0.95r_M(i-1)；

若R_a(r₀,r_M(i-1))<R_e，则更新r_Mi＝1.05r_M(i-1)。

进一步的，所述根据所述目标高度、目标视在距离以及所述目标地心角计算所述待测目标的真实目标距离与真实仰角，具体包括：

根据所述目标高度、目标视在距离以及所述目标地心角计算所述目标高度对应的目标距离R_i与目标仰角E_i，具体计算公式如下：

根据r_M(i-1)计算得到R_i-1与E_i-1，然后根据以下计算公式计算得到所述所述待测目标的真实目标距离R与真实仰角E：

优选的，得到所述真实目标距离与真实仰角后，还包括：

通过所述真实目标距离与真实仰角分别计算得到折射距离误差ΔR与折射仰角误差ΔE，具体计算公式具体如下：

ΔR＝R_e-R

ΔE＝E₀-E。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出一种电波折射误差修正方法，针对对流层和电离层内电波折射的不同情况分别通过不同的快速积分方法进行计算，然后通过临近结果进行差分直接计算出真实结果。本方法可以适用于任意高度计算，同时保有极快的计算速度和较高的精度，适用于实时修正计算。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种电波折射误差修正方法的流程示意图。

图2为本发明一优选实施例提供的计算时间与发射仰角的关系示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

参照图1，为本发明一实施例提供的一种电波折射误差修正方法的流程示意图，包括以下步骤：

S1：根据测量距离计算待测目标到地心的第一近似地心距离；其中，所述测量距离为探测设备测量得到的目标距离；

S2：根据所述第一近似地心距离计算所述第一近似地心距离对应的第一近似视在距离与第一近似地心角；

S3：根据所述第一近似视在距离与所述测量距离，通过迭代方式更新所述第一近似地心距离，并最终确定目标高度及所述目标高度对应的目标视在距离与目标地心角；其中，所述目标高度为最后一次更新得到的近似距离；

S4：根据所述目标高度、目标视在距离以及所述目标地心角计算所述待测目标的真实目标距离与真实仰角。

对于步骤S1，具体的，所述根据测量距离计算待测目标到地心的第一近似地心距离，具体包括：

设测量距离为R_e，则所述待测目标到地心的第一近似地心距离r_M0通过以下公式计算得到：

其中，r₀为探测设备电波发射点的地心距离，E₀为电波发射仰角。

对于步骤S2，具体的，根据所述第一近似地心距离计算所述第一近似地心距离对应的第一近似视在距离与第一近似地心角，具体包括：

所述第一近似视在距离R_a(r₀,r_M0)以及第一近似地心角的的计算公式如下：

其中，h_E为电离层开始高度，h_F为电离层结束高度，R₁为对流层内距离积分函数，为对流层内角度积分函数，均通过高斯积分方法计算；R₂为电离层内距离积分函数，为电离层内角度积分函数，均通过分段高斯-勒让格积分方法计算；R₃为电离层外距离积分函数，为电离层外角度积分函数。

优选的，所述R₁、R₂、R₃的具体计算公式为：

其中，r_a与r_b分别为待定参数，L为迭代次数，r_kj＝min(r_j+U_k*Δr_j,r_b)，U_k与C_k均为高斯积分常数，n(r)为折射率函数；

其中，i_max为r_bi≥r_b时i的取值，r_bi＝min(r_b,r_a+ds*i(i+1)/2)，r_ai＝r_a+ds*i(i+1)/2，ds＝10000，r_k＝((r_b+r_a)+(r_b-r_a)*X_k)/2，A_k与X_k均为积分常数；

优选的，所述折射率函数n(r)具体为：

其中，N(r)为由预设对流层模型计算得出的对流层折射率指数，Ne(r)为由预设电离层模型计算得出的电离层电子密度，f为电波频率。

优选的，所述的具体计算公式为：

在一个优选的实施例中，所述电离层开始高度h_E＝r_e+60000，所述电离层结束高度h_F＝r_e+1000000，即设定地面高度60km内为对流层范围，地面高度60-1000km处为电离层范围。

进一步的，所述L为迭代次数，具体取值为40。

进一步的，所述U_k与C_k均为高斯积分常数，具体取值如下：

C1＝0.1739274225U1＝0.0694318442

C2＝0.3260725774U2＝0.4400094782

C3＝0.3260725774U3＝0.6699905218

C4＝0.1739274225U4＝0.9305681558

进一步的，所述A_k与X_k均为积分常数，具体取值如下：

A1＝0.2369268851X1＝0.9061798459

A2＝0.2369268851X2＝-0.9061798459

A3＝0.5688888889X3＝0

A4＝0.4786268851X4＝0.5384693101

A5＝0.4786268851X5＝-0.5384693101

对于步骤S3，具体的，所述通过迭代方式更新所述第一近似地心距离，并最终确定目标高度及所述目标高度对应的目标视在距离与目标地心角，具体包括：

开始迭代，对比所述测量距离R_e与所述第一近似视在距离R_a(r₀,r_M0)；

根据对比结果更新所述第一近似地心距离r_M0，得到第二近似地心距离r_M1；

根据所述第二近似地心距离r_M1计算得到第二近似视在距离R_a(r₀,r_M1)；

若(R_a(r₀,r_M1)-R_e)(R_e-R_a(r₀,r_M0))≥0，则终止迭代，否则根据R_a(r₀,r_M1)与R_e的对比结果继续迭代更新r_M1，直到更新i代得到r_Mi，使得R_a(r₀,r_Mi)与R_a(r₀,r_M(i-1))满足(R_a(r₀,r_Mi)-R_e)(R_e-R_a(r₀,r_M(i-1)))≥0后，终止迭代；其中，i为常数；

确定r_Mi为所述目标高度，R_a(r₀,r_Mi)为所述目标高度对应的目标视在距离，同时计算得到所述目标高度对应的目标地心角

优选的，根据对比结果更新近似地心距离的更新规则具体为：

若R_a(r₀,r_M(i-1))>R_e，则更新r_Mi＝0.95r_M(i-1)；

若R_a(r₀,r_M(i-1))<R_e，则更新r_Mi＝1.05r_M(i-1)。

对于步骤S4，具体的，所述根据所述目标高度、目标视在距离以及所述目标地心角计算所述待测目标的真实目标距离与真实仰角，具体包括：

根据所述目标高度、目标视在距离以及所述目标地心角计算所述目标高度对应的目标距离R_i与目标仰角E_i，具体计算公式如下：

根据r_M(i-1)计算得到R_i-1与E_i-1，然后根据以下计算公式计算得到所述所述待测目标的真实目标距离R与真实仰角E：

优选的，得到所述真实目标距离与真实仰角后，还包括：

通过所述真实目标距离与真实仰角分别计算得到折射距离误差ΔR与折射仰角误差ΔE，具体计算公式具体如下：

ΔR＝R_e-R

ΔE＝E₀-E。

相较于现有技术，本发明针对对流层和电离层内电波折射的不同情况分别通过不同的快速积分方法进行计算，然后通过临近结果进行差分直接计算出真实结果。本方法可以适用于任意高度计算，同时保有极快的计算速度和较高的精度，适用于实时修正计算。

在一个优选的实施例中，本发明在实际工作中修正电波折射的运算效率如下表所示：

可以看出，本发明所述方法对电波折射误差修正的平均用时在1.4ms左右，效率很高，适用于实时电波修正。

另外，参照图2，为本发明一优选实施例提供的计算时间与发射仰角的关系示意图。可以看出，当发射仰角大于4°时，计算时间普遍在1.2ms以内。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电波折射误差修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据测量距离计算待测目标到地心的第一近似地心距离；其中，所述测量距离为探测设备测量得到的目标距离；所述根据测量距离计算待测目标到地心的第一近似地心距离，具体包括：

设测量距离为R_e，则所述待测目标到地心的第一近似地心距离r_M0通过以下公式计算得到：

其中，r₀为探测设备电波发射点的地心距离，E₀为电波发射仰角；

根据所述第一近似地心距离计算所述第一近似地心距离对应的第一近似视在距离与第一近似地心角，具体包括：

所述第一近似视在距离R_a(r₀,r_MO)以及第一近似地心角的的计算公式如下：

其中，h_E为电离层开始高度，h_F为电离层结束高度，R₁为对流层内距离积分函数，为对流层内角度积分函数，均通过高斯积分方法计算；R₂为电离层内距离积分函数，为电离层内角度积分函数，均通过分段高斯-勒让格积分方法计算；R₃为电离层外距离积分函数，为电离层外角度积分函数；

根据所述第一近似视在距离与所述测量距离，通过迭代方式更新所述第一近似地心距离，并最终确定目标高度及所述目标高度对应的目标视在距离与目标地心角；其中，所述目标高度为最后一次更新得到的近似距离；所述通过迭代方式更新所述第一近似地心距离，并最终确定目标高度及所述目标高度对应的目标视在距离与目标地心角，具体包括：

开始迭代，对比所述测量距离R_e与所述第一近似视在距离R_a(r₀,r_M0)；

根据对比结果更新所述第一近似地心距离r_M0，得到第二近似地心距离r_M1；

根据所述第二近似地心距离r_M1计算得到第二近似视在距离R_a(r₀,r_M1)；

若(R_a(r₀,r_M1)-R_e)(R_e-R_a(r₀,r_M0))≥0，则终止迭代，否则根据R_a(r₀,r_M1)与R_e的对比结果继续迭代更新r_M1，直到更新i代得到r_Mi，使得R_a(r₀,r_Mi)与R_a(r₀,r_M(i-1))满足(R_a(r₀,r_Mi)-R_e)(R_e-R_a(r₀,r_M(i-1)))≥0后，终止迭代；其中，i为常数；

确定r_Mi为所述目标高度，R_a(r₀,r_Mi)为所述目标高度对应的目标视在距离，同时计算得到所述目标高度对应的目标地心角

根据所述目标高度、目标视在距离以及所述目标地心角计算所述待测目标的真实目标距离与真实仰角，具体包括：

根据所述目标高度、目标视在距离以及所述目标地心角计算所述目标高度对应的目标距离R_i与目标仰角E_i，具体计算公式如下：

根据r_M(i-1)计算得到R_i-1与E_i-1，然后根据以下计算公式计算得到所述所述待测目标的真实目标距离R与真实仰角E：

2.根据权利要求1所述的一种电波折射误差修正方法，其特征在于，所述R₁、R₂、R₃的具体计算公式为：

其中，r_a与r_b分别为待定参数，L为迭代次数，r_kj＝min(r_j+U_k*Δr_j,r_b)，U_k与C_k均为高斯积分常数，n(r)为折射率函数；

其中，i_max为r_bi≥r_b时i的取值，r_bi＝min(r_b,r_a+ds*i(i+1)/2)，r_ai＝r_a+ds*i(i+1)/2，ds＝10000，r_k＝((r_b+r_a)+(r_b-r_a)*X_k)/2，A_k与X_k均为积分常数；

3.根据权利要求2所述的一种电波折射误差修正方法，其特征在于，所述折射率函数n(r)具体为：

其中，N(r)为由预设对流层模型计算得出的对流层折射率指数，Ne(r)为由预设电离层模型计算得出的电离层电子密度，f为电波频率。

4.根据权利要求3所述的一种电波折射误差修正方法，其特征在于，所述的具体计算公式为：

5.根据权利要求1所述的一种电波折射误差修正方法，其特征在于，根据对比结果更新近似地心距离的更新规则具体为：

若R_a(r₀,r_M(i-1))>R_e，则更新r_Mi＝0.95r_M(i-1)；

若R_a(r₀,r_M(i-1))<R_e，则更新r_Mi＝1.05r_M(i-1)。

6.根据权利要求1所述的一种电波折射误差修正方法，其特征在于，得到所述真实目标距离与真实仰角后，还包括：

通过所述真实目标距离与真实仰角分别计算得到折射距离误差ΔR与折射仰角误差ΔE，具体计算公式具体如下：

ΔR＝R_e-R

ΔE＝E₀-E。