[发明专利]一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法

权利要求书

1.一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)计算并记录掩星开始时刻航天器的位置；

(2)从航天器到达步骤(1)确定的位置开始，对星敏感器拍摄星图进行星图处理，记录折射前星光矢量方向和星光折射角，同时记录航天器导航系统输出的位置信息，持续记录数据直至掩星过程结束；

(3)利用航天器导航系统输出的航天器位置、折射前星光矢量方向以及星光折射角的数据，基于几何关系计算视高度；

(4)利用步骤(2)记录的星光折射角数据以及步骤(3)计算的视高度数据，利用基于星光折射的大气密度反演公式计算每组数据对应的大气密度；

(5)利用步骤(2)记录的航天器位置、折射前星光矢量方向以及星光折射角的数据，基于几何关系计算反演大气密度点的三维坐标；

所述步骤(4)中，基于星光折射的大气密度反演公式为：

式中，ρ代表反演大气密度点处的密度值，r_e为地球半径，h_a,max和h_a分别为掩星过程中的最大视高度以及反演大气密度点处的视高度，R(h_a1)代表视高度为h_a1时星光折射角大小，k_G-D代表Gladstone-Dale常数；

所述步骤(5)中，反演大气密度点处的三维坐标计算方法如下：

式中，(x_GP,y_GP,z_GP)代表反演大气密度点处的三维坐标；(x,y,z)为航天器当前位置；(l,m,n)为折射前星光的方向矢量；航天器与反演大气密度点之间的距离T_d的确定方法如下：

T_d＝r_s(sinχ-cosχtanR/2)          (3)

式中，χ表示航天器轨道平面与折射前星光相切平面的夹角，r_s表示航天器地心距，R表示星光折射角的大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于低轨航天器掩星的平流层大气密度反演方法，其特征在于：所述步骤(1)中，掩星开始时航天器所在位置的计算方法如下：

航天器轨道表示为：

x²+y²+z²＝r_s²                         (4)

ax+by+cz＝0                         (5)

其中(a,b,c)代表了航天器轨道平面的空间指向；(x,y,z)为航天器当前位置；

对于能观测到折射星的航天器来说，其位置满足下式：

lx+my+nz+r_ssinχ＝0                     (6)

(l,m,n)为折射前星光的方向矢量，r_s表示航天器地心距，χ表示航天器轨道平面与折射前星光相切平面的夹角；

根据式(4)～式(6)计算得到航天器的位置，式中(x,y,z)表示航天器三维坐标；

其中：

α＝bl-am

β＝cl-an

γ＝cm-bn

W＝r_ssinχ

由式(4)有：

另外，航天器位置还需要满足：

lx+my+nz＜0                      (10)。