星載激光測高系統(tǒng)大氣折射延遲的影響分析

李 松，馬 躍，周 輝，鮮 勇

(1. 武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2. 海裝武漢局，湖北 武漢 430064)

引言

激光測高系統(tǒng)通過激光器發(fā)射脈沖經(jīng)大氣傳輸在目標(biāo)表面反射后的渡越時間，計算測量衛(wèi)星平臺與反射地表距離，結(jié)合激光指向與衛(wèi)星平臺姿態(tài)和位置信息，得出地表緯度經(jīng)度和高程結(jié)果[1-2]。當(dāng)激光脈沖穿過地球大氣層時，由于大氣折射率不均勻產(chǎn)生的激光脈沖傳輸延遲對激光渡越時間的測量精度造成顯著影響，由此產(chǎn)生與大氣延遲相關(guān)的測距誤差在m量級。本文討論了星載激光測高系統(tǒng)大氣延遲的計算方法，通過使用沿天頂方向的大氣傳輸延遲值與非天頂方向相應(yīng)映射函數(shù)乘積的方法來計算大氣延遲，結(jié)合NCEP(美國國家環(huán)境預(yù)測中心，national center for environment prediction)的全球氣象數(shù)據(jù)和2003年由ICESat衛(wèi)星搭載發(fā)射，主要任務(wù)為測量南極地區(qū)和格陵蘭島的冰蓋高程變化的GLAS(地球科學(xué)激光測高系統(tǒng)， geoscience laser altimeter system)高程數(shù)據(jù)[3-6]，進(jìn)行大氣延遲修正方法結(jié)果的驗證，并特別對大氣延遲中占主導(dǎo)作用，而NCEP氣象數(shù)據(jù)中不準(zhǔn)確的地表氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

1 大氣延遲改正

1.1 天頂延遲解算模型

大氣延遲改正解算模型中的積分變量是折射率(n-1)，它通常以百萬分之一為單位來給定，即(n-1)=10-6N。對于光波段，折射率N表示為[7]

(1)

式中：k1(λ)和k2(λ)是波長λ的函數(shù)，分別由大氣中干空氣分子的組成和水汽的密度決定；Pd和Pw是干空氣和水汽的分壓強(qiáng)；Zd和Zw表征了干空氣和水汽的壓縮率，并遵從非理想氣體法則。假定ρi是氣體i的密度(大氣中為干空氣或者水汽)，總氣體密度ρ=ρd+ρw，得出：