[发明专利]一种利用恒星观测数据校正光学成像卫星大气折射的方法

权利要求书

1.一种利用恒星观测数据校正光学成像卫星大气折射的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1根据所观测卫星图像的光波波段，建立大气分层模型；

S2建立恒星光线折射模型，并通过该模型，利用所观测到的恒星偏折现象，以及逐层前向迭代算法对大气折射率进行计算；

第N层大气折射率的计算公式如下：

其中，α₁即代表恒星入射光线与第N层大气发生折射时所形成的入射角，β即代表恒星光线方向与卫星视线所形成夹角，n₀代表真空大气折射率；

进而从第N层逐层计算，即可由外向内，逐层解算出大气折射率；

具体实现过程包括：

S2.1建立恒星光线折射模型，具体过程如下：在球形地球模型以及球形大气的假设下，按照S1中建立的大气分层模型，按设定的高度对大气层进行分层，在大气层由最内层到最外层依次为第1，2，……，N层的假设下，以及在已知每层大气折射率的条件下，由外层向内层依次递推，从而得出恒星光线与卫星视线的夹角值；由于大气层第N层入射角α₁已知，在该层使用折射定律，即可推出第N层的出射角θ₁＝arcsin(n₀*sin(α₁)/n₁)，其中，n₀代表真空大气折射率,n₁代表第N层大气折射率，此时，需要判断光线是否能进入第N-1层大气，即判断h₂-h₁*sin(θ₁)的正负，其中h₁代表从地心到第N层大气高度，h₂代表从地心到第N-1层大气高度，若非负，则不可进入第N-1层大气，此时利用光路的对称性，即可推导出该光线光路，得到恒星光线与卫星视线的夹角值；若为负，则可以进入第N-1层大气，此时，由正弦定理，即可由第N层的出射角θ₁推导出第N-1层大气入射角α₂＝arcsin(h₁*sin(θ₁)/h₂)，按上述步骤由外层向内层递推，即可得出恒星光线的光路情况，得到恒星光线与卫星视线的夹角值，从而建立恒星光线折射模型；

S2.2假设已知恒星光线光路，而大气折射率未知，且在已知恒星光线折射模型的条件下，由外及内，依次对各层的大气折射率进行估算，根据几何关系，可以找出某条仅通过第N层大气的恒星光线，且可以得知该光线的通过第N层大气的出射角为θ₁，即可计算第N层大气折射率为：

其中，β即代表恒星光线方向与卫星视线所形成夹角；

S2.3同理在已知某恒星光线仅通过第N-1层大气，即可计算第N-1层大气折射率为：

其中，α₂代表恒星入射光线与第N-1层大气发生折射时所形成的入射角，θ₂代表恒星入射光线与第N-1层大气发生折射时所形成的出射角；

S2.4依此由内层向外层递推，即可计算出各层大气折射率；

S2.5通过利用多天的数据，按照上述方法，由外层到内层，选出入射到同一层的数据，逐层将计算出来的折射率取均值计算，进而可以计算出稳定情况下的大气折射率；

S3通过恒星光线折射模型以及大气折射率，对偏折的恒星光线进行修正，并通过修正结果，对大气折射率进行更新；

具体实现过程包括：

S3.1利用恒星光线折射模型以及此时卫星的视线，以及光路的对称性，得出在已知大气折射率的条件下，恒星光线与视线的夹角；

S3.2利用恒星光线与视线的夹角大小，由于地心与卫星共面，且已知视线方向和恒星光线和视线夹角大小，且卫星光线偏折必定是朝向地心方向，故假设恒星光线方向为单位向量，利用该向量与视线共面，且夹角一定建立方程组，求解方程组，取靠近地心方向的值即为恒星光线方向；

S3.3通过修正结果与实际恒星位置误差大小的比较，分析由于天气变化情况导致的大气折射率变动情况，若由于气候影响导致折射率偏差变大，则利用新的恒星视线夹角数据对折射率进行更新；

S4通过恒星光线折射模型以及卫星的共面性质以及更新的大气折射率，对一定时间内的恒星光线折射现象进行预测；

具体实现过程包括：通过恒星光线折射模型以及卫星的共面性质，在已知恒星光线入射方向的条件下，通过光路的对称性，反过来将卫星视为光源，按照光路模型计算出在现有卫星视角下，可观测光线的下视角的最小值，从而推导出可见恒星光线的范围，从而对卫星所观测的恒星光线可见性以及偏折情况进行预测。

2.根据权利要求1所述利用恒星观测数据校正光学成像卫星大气折射的方法，其特征在于：S1的具体实现过程包括：针对卫星所用谱段在大气中传播的性质，对大气进行分层建模，大气高度不超过100km，且在分层时采用不同的分层间隔，考虑对空气变化较为剧烈的区域取较小间隔进行分层，而对于其它区域取较大间隔进行分层。