地基空间目标监视雷达大气折射误差修正方法研究

大气介质垂向非均匀分布会使穿行其中的电磁波发生折射现象,尤其是其中的对流层和电离层,可造成电磁波传播延迟及路径弯曲,进而导致地基空间目标监视雷达测距和测角误差。本文基于射线追踪法实现了大气折射误差建模,推导了雷达测距和测角误差关于大气折射指数垂向分布的精确表达式,并详细阐述了地基空间目标监视雷达大气折射误差修正原理及流程,相比于传统的误差近似模型及修正方法,本文所提出的误差模型更准确、修正方法更有效。基于对流层和电离层模型获取大气折射指数垂向分布特性曲线,进行大气折射误差数值仿真,结果表明,本文方法在大气分层不同间隔取值下的误差补偿精度更高、性能更稳健,特别是在低仰角情况下,其性能优势更加明显。

电波大气折射误差精细化修正系统设计与验证

针对高轨卫星S/Ka频段厘米级高精度测距系统大气折射误差修正需求,设计了可工程化实现的大气折射误差精细化修正系统.系统主要通过基于微波辐射计的微弱微波辐射信号接收技术、自定标技术、湿延迟模型构建、折射率模型构建提高对流层环境探测精度,通过基于GNSS硬件延迟估计技术研究提高电离层环境探测精度,进而提升大气折射误差修正精度.在我国青岛、海口、昆明、拉萨及满洲里五个典型气候地区的试验数据分析表明:对流层折射率误差均方根偏差约为3.64 N单位,较大的地区为海口和青岛,分别为6.3 N单位和5.2N单位,且试验期间不同时刻的折射率误差差距较大,体现了沿海地区气候时空变化较为明显的特性;电离层垂直电子总含量平均值为1.19 TECU,较大的地区为昆明和海口,分别为1.4 TECU和1.92 TECU,体现了低纬度地区电离层变化较为剧烈的特性.大气折射误差精细化修正系统可以提供高精度的对流层、电离层折射修正值,验证内容和结果具有代表性,可以为高轨卫星高精度测定轨提供支持.

大气折射误差的残差模型

本文从定义出发，推导出目标在球面分层（水平均匀）低层大气或电离层内仰角折射误差、距离折射误差和相应于单脉冲雷达与三站雷达的距离变化率折射误差的残差模型[式（14）与（20）；（24）与（27）；（57）与（59），（63）与（65）]与现有模型比较，所得模型精度较高，适用于高低仰角，目标可在低层大气与电离层内，没有距离限制，不涉及视在仰角变化率问题，便于实际应用．

基于NURBS曲线插值的实时大气折射误差修正

提出了一种采用传统的逐点描迹法和NURBS曲线插值方法相结合的技术,对多种可见光测量设备进行高准确度的实时大气折射误差修正方法.该方法克服了逐点描迹法计算量大、无法达到实时计算要求等缺点,尤其适用于全自动胶片判读仪或光电经纬仪中实时数据的大气折射误差修正.

差频延时法测距的大气折射误差

给出了用差频延时法测距的距离折射误差计算公式。在电离层内，连续波ｃｏｓ２πｆ１ｔ与ｃｏｓ２πｆ２ｔ以相速传播，但它们的差频信号ｃｓｏ［２π（ｆ１─ｆ２）］等效用频率以群速传播。

地表折射率对雷达大气折射误差的影响分析

根据地表折射率与折射误差的关系,提出了典型折射误差修正剩余对地表折射率测量精度的要求和一种间接测量地表折射率的方法;分析了不同环境下地表折射率对大气参数的测量要求.仿真结果表明,在不同环境下雷达对大气参数的测量要求不同,部分环境下对温度、相对湿度的测量要求大幅降低.由此提出了雷达在不同环境下的探测建议,可为雷达大气折射误差修正的设计提供参考.

基于射线描迹法微分形式的大气折射误差修正方法研究

大气折射误差是影响各类无线电系统同步、跟踪、导航、定位精度的一个主要误差源。射线描迹法利用几何光学原理可以实现对该误差的精确修正。针对传统射线描迹法无法处理异常大气折射误差修正的问题,该文推导了射线描迹法的微分形式,并基于此提出适用于任意大气的折射误差修正方法。选取某地面测控站对目标的跟踪数据,验证了所提方法的可行性。此外,利用该方法对比分析了蒸发波导环境和标准大气环境对大气折射误差的影响。结果表明:完全陷获在蒸发波导内部的电波引入的大气折射误差是最显著的。所提方法为提高无线电系统在任意大气环境下的测量精度提供一种新的技术支持。

高空俯视雷达的大气折射修正与定位误差模型

为了实施对地面目标的精确打击,空中飞行器上的雷达首先需要对地面目标精确定位.由于雷达电波在大气中传播时会产生折射误差,因而会影响雷达定位精度.针对有关部门的实际需求,以及目前大气折射误差修正基本上都是基于地基雷达的现状.通过选择高精度的对流层和电离层大气模型,利用全国对流层大气参数和电离层大气浓度剖面建立大气折射率剖面数据库.根据电波传播理论,利用射线描迹法推导出了位于电离层中俯视雷达的大气折射误差修正模型和定位误差模型.仿真实验表明,大气折射效应对高空俯视雷达探测精度影响很大.利用该模型可极大地提高俯视雷达的定位精度,为有效打击地面目标奠定基础.

低层大气误差对距离变化率折射误差的影响

大气折射残差模型是综合处理雷达测量数据及光学测量数据时需要重点考虑的残差项[3]。本文对现行的大气折射残差模型[2]提出了质疑，并从折射原理出发，在球面分层的情况下重新推导了大气折射指数的变化对视在距离变化率与真实距离变化率之差（即距离变化率折射误差）的影响，这是残差模型中的重要的一项。推导结果表明测速元的该项残差量主要是由路径弯曲引起的。在一定条件下简化的这项折射残差模型具有不匹配的特性，便于综合数据处理。

一种基于海上探空气象数据的大气折射率模型

针对测量船精度鉴定中电波折射经验模型修正精度较差的问题,在双指数大气折射率模型的基础上,通过对测量船历次任务的100多次探空气象数据进行处理,回归分析得到干项和湿项特征高度与海平面气象参数的关系式。试算结果表明:基于该模型用射线描迹法计算折射修正量,其计算精度与事后数据处理采用的计算方法相当,距离、仰角修正后的最大残余误差约为3%,满足了测量船在三大洋任意海域的精度鉴定需求。

大气折射与传播位形的关系

基于三个站,准同时观测的310组N剖面,统计了折射率的水平梯度,其大小较之于垂直梯度小2～3个量级,并指出了某些特点,应用这些剖面计算了距离误差(△R),从而统计出△R的水平梯度,此值可视为折射率水平不均匀性所致,又计算了△R随射线仰角的不同所导致的改变.其结果说明,△R随不同仰角的改变量较之于折射率水平梯度所引起的改变量大一个量级,此结论有实用意义.