地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法、装置及系统

1.本发明属于成像光谱仪科学设计领域，具体涉及一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法、装置及系统。


背景技术：

2.作为未来深空探测的前端技术之一，开展地球辐射月基观测系统研究可进一步完善现有地球辐射收支监测系统。发展地球辐射月基探测平台几何观测误差量化方法对该平台系统误差校正工作至关重要，然而，现有相关研究及技术仍无法定量描述此几何观测误差。
3.厘清地球系统辐射能量收支变化便成为深化人类对于全球气候变化理解的必由之举。由于地球自转及云与大气分布随时间的快速变化，使得地球系统反射的短波辐射和自身的长波辐射具有全球大尺度瞬时变化的特征；传统地面台站由于分布相当不均且数量非常有限，因而不能满足地球反射短波及自身红外长波辐射全球变化观测的需求。而卫星观测由于能够在一定时间内均匀覆盖全球，因此可为地球辐射能量平衡研究提供一定时间分辨率下的全球尺度数据，然而，人造地球卫星测量也还是有诸多不足之处。其根本原因在于人造地球卫星平台的一些固有问题，如不同平台仪器设计及运行标定方式的不同，导致同一地区同一参量的观测值出现较大偏差，即使是搭载在不同卫星上的相同仪器，由于卫星轨道的不同，仪器老化程度不同，数据一致性也会有所降低，尽管可以通过在轨标定等技术手段进行改进，但仍会存在一定偏差；且由于人造卫星寿命有限，从而限制仪器了星载平台的观测年限，不利于获取长期，稳定，连续的观测数据。并且由于现有低轨卫星平台的瞬时视场较小，过境次数有限，不同地区的时间平均数据其采样时间并不相同，从而带来一定误差，且由于每日采样次数有限，其时间分辨率不足以捕捉到时间尺度较小的辐射传输过程，如云与地面的辐射传输等。因此，非常有必要寻找一个更为稳定，瞬时覆盖更大，可提供更高时间分辨率观测的平台来观测地球能量收支变化，补足现有星载平台的不足，探究地球辐射收支变化及机理。
4.作为地球的天然卫星，月球近地面提供了地球辐射能量观测的绝佳场所。相对于低轨星载观测平台，月基对地辐射能量观测平台(moon-based earth radiation observatory,mero)具有如下优点：1.由于地-月距离约为月球直径的100倍，月球近地面极大部分位置对地观测几何特征具有高度一致性，可降低不同落点月基观测站间的数据偏差，有利于多期数据融合，从而产出更为长久、稳定、连续的地球辐射能量观测数据。2.月基平台平均每天可对地球大部分区域进行连续12小时观测，可有效提高观测数据的时间分辨率，有利于捕捉到现有星载平台无法探测到的小时间尺度辐射传输过程，从而深化人们对于地球大气层顶辐射收支变化机理的认识。3.月球较为稳定的辐射环境及稀薄的大气层能够为其上仪器提供更为精确的原位标定。
5.系统误差标定对地球辐射月基观测系统构建具有至关重要的作用，而其中的核心
工作之一便是几何观测误差量化，然而，虽然人们已在地球辐射月基观测仪器的初步概念和基础参数方面开展了一定的探索性工作，但现有相关研究及技术仍无法定量描述此几何观测误差。在这一技术背景下，研究地球辐射月基探测系统几何观测误差量化方法非常必要的。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明提出一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法、装置及系统，能够补足现有相关研究的缺陷，为误差标定提供支持，从而助力于地球辐射月基观测机理研究及仪器研发工作的推进。
7.为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
8.第一方面，本发明提供了一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法，包括：
9.获取地球大气顶层向月表的短波及长波的辐射通量真值；
10.不断改变观测几何参数的取值，基于短波及长波的辐射通量真值，以及预设的像元观测模拟值计算公式，计算出不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，所述像元观测模拟值计算公式考虑了大气参数、地面覆盖类型及观测几何参数；
11.基于短波及长波的辐射通量真值，以及不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，计算出对应的像元观测误差，并进一步计算出各像元观测误差对各类观测几何参数变化的敏感度；
12.基于所有敏感度的平方根均值进行时间平均运算，计算出几何观测误差量化值。
13.可选地，所述预设的像元观测模拟值计算公式的表达式为：
[0014][0015][0016][0017][0018]
其中，mf
sw
为短波像元观测值，mf
lw
为长波像元观测值，下角标i为某一像元物空间视场子节点，下角标p为像元物空间视场整体，fswi和flwi分别为像元物空间视场子节点i对应的地球大气顶层的短波和长波辐射通量真值；pswi和plwi分别为像元物空间视场子节点i对应的地球大气顶层向月表的短波及长波辐射非均匀因子，为方向性辐射亮度与辐射通量之比；iswi及ilwi分别为子节点i的方向性长波辐亮度及短波辐亮度，fswi、flwi、pswi、plwi、iswi及ilwi与像元物空间视场子节点i所在区域的地面覆盖类型、大气状态、观测几何特征密切相关，psw
p
和plw
p
为整个像元物空间视场的地球大气顶层辐射非均匀因子，通过其内部各子节点的辐射非均匀因子面积加权获得，d
li
为月基观测站与像元物空间视场子节点i的
距离，vzi为像元物空间视场内部子节点i观测天顶角，ωi为像元物空间视场内部子节点i的视向量与地心观测向量夹角，ai为像元物空间视场内部子节点i代表的地球大气顶层区域面积，a
p
为整个像元物空间视场面积，ai与a
p
由wgs-84地球椭球面积积分计算获得，vz
p
为像元中心观测天顶角，ω
p
为像元中心视向量与地心观测向量与地心观测向量夹角，d
lp
为月基观测站到像元中心距离。
[0019]
可选地，所述fswi、flwi、pswi、plwi、iswi及ilwi由地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀模型给定。
[0020]
可选地，所述地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀模型的构建方法包括：
[0021]
获取大气参数时空扰动信息，计算地球大气顶层向月表短波及长波辐射非均匀因子对相关大气参数变化的响应敏感度，定量评估相关大气状态参数对地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀因子的影响；
[0022]
获取月基观测站各类观测几何参数时变信息，计算地球大气顶层向月表短波及长波辐射非均匀因子对各类观测几何参数变化的响应敏感度，定量分析相关观测几何参数对地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀因子的影响；
[0023]
基于全球地表覆盖数据以月基观测站空间分辨率为基准进行重采样，生成月基观测地球地面覆盖类型数据，计算短波及长波辐射非均匀因子对地面覆盖类型变化的响应规律，分析地球地面覆盖类型对地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀因子的影响。
[0024]
可选地，所述月基观测站与像元物空间视场子节点i的距离d
li
和月基观测站到像元中心距离d
lp
由nasa jpl de430星历数据距离参数给定；
[0025]
所述像元中心观测天顶角vz
p
的计算公式为：
[0026][0027]
所述像元物空间内部视场子节点i观测天顶角vzi的计算公式为
[0028][0029]
其中，
[0030][0031][0032][0033][0034]
其中，γ和分别为像元物空间视场子节点i的地球wgs-84椭球中心投影纬度及经度，λv为月基观测站投影点,xi、yi、zi分别为像元物空间视场子节点i的wgs-84三维笛卡
尔坐标；p是像元物空间视场子节点i的椭球法向量，a、b分别为wgs-84参考椭球段半轴及长半轴；
[0035]
所述像元中心视向量与地心观测向量与地心观测向量夹角ω
p
的计算公式为：
[0036][0037][0038]
所述像元物空间视场子节点i的视向量与地心观测向量夹角ωi的计算公式为
[0039][0040]
可选地，各像元观测误差的计算公式为：
[0041]
err
sw
＝mf
sw-fsw
[0042]
err
lw
＝mf
lw-flw
[0043]
其中，err
sw
及err
lw
分别为某一像元短波观测误差及像元长波观测误差。
[0044]
可选地，各像元观测误差对各类观测几何参数变化的敏感度的计算公式为：
[0045][0046][0047]
其中，mlw为短波像元观测误差，msw为长波像元观测误差，s为待评测几何参数量，δgy为待测几何参数变化量，δesw及δelw为短波及长波几何观测误差变化量，i为像元号，j为待评估几何参数编号。
[0048]
可选地，所述几何观测误差量化值的计算公式为：
[0049][0050][0051]
其中，gsw为短波几何观测误差量化值，glw为短波几何观测误差量化值，k为像元数，t为评估周期内时间节点总数。
[0052]
第二方面，本发明提供了一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化装置，包括：
[0053]
真值获取模块，用于获取地球大气顶层向月表的短波及长波的辐射通量真值；
[0054]
观测值计算模块，用于不断改变观测几何参数的取值，基于短波及长波的辐射通量真值，以及预设的像元观测模拟值计算公式，计算出不同观测几何参数对应的短波像元
观测值和长波像元观测值，所述像元观测模拟值计算公式考虑了大气参数、地面覆盖类型及观测几何参数；
[0055]
灵敏度计算模块，用于基于短波及长波的辐射通量真值，以及不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，计算出对应的像元观测误差，并进一步计算出各像元观测误差对各类观测几何参数变化的敏感度；
[0056]
几何观测误差量化值计算模块，用于基于所有敏感度的平方根均值进行时间平均运算，计算出几何观测误差量化值。
[0057]
第三方面，本发明提供了一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化系统，包括存储介质和处理器；
[0058]
所述存储介质用于存储指令；
[0059]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面中任一项所述的方法。
[0060]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0061]
现有研究无法有效量化地球辐射月基观测系统几何观测误差，从而严重阻碍了地球辐射月基观测机理研究及仪器研发工作的推进，而这正是本发明拟解决的关键难题，具体的，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0062]
本发明设置的观测模拟值计算公事考虑了大气参数、地面覆盖类型及观测几何参数的影响，可有效提升地球辐射月基观测系统像元观测值模拟精度。
[0063]
本发明在进行灵敏度计算时，充分考虑了各类几何参量的影响，并有效消除了像元空间分布及时间周期对计算结果的影响，可有效提升地球辐射月基观测系统几何观测误差计算精度。
附图说明
[0064]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
[0065]
图1为本发明一种实施例的地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法的流程示意图。
具体实施方式
[0066]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0067]
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能
够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0068]
实施例1
[0069]
本发明实施例中提供了一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法，首先获取地球大气顶层向月表的短波及长波的辐射通量真值；而后基于短波及长波的辐射通量真值，利用喷气与推进动力实验室(jpl)星历数据及函数集，构建地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀模型及地球辐射月基观测系统像元物空间视场定位模型，计算出像元观测值。最后，基于基于短波及长波的辐射通量真值及像元观测模拟值，计算地球辐射月基观测平台探测误差。而后，在此基础上，综合分析探测误差对月基平台各观测几何参数变化的敏感度，构建地球辐射月基探测平台几何观测误差量化方法，计算获得地球辐射月基探测平台几何观测误差量化值。
[0070]
具体包括以下步骤：
[0071]
(1)获取地球大气顶层向月表的短波及长波的辐射通量真值；
[0072]
(2)不断改变观测几何参数的取值，基于短波及长波的辐射通量真值，以及预设的像元观测模拟值计算公式，计算出不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，所述像元观测模拟值计算公式考虑了大气参数、地面覆盖类型及观测几何参数；
[0073]
(3)基于短波及长波的辐射通量真值，以及不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，计算出对应的像元观测误差，并进一步计算出各像元观测误差对各类观测几何参数变化的敏感度；
[0074]
(4)基于所有敏感度的平方根均值进行时间平均运算，计算出几何观测误差量化值。
[0075]
下面结合图1对本发明实施例中的几何观测误差量化方法进行详细说明。
[0076]
步骤1，确定地球大气顶层向月表的短波及长波的辐射通量真值。
[0077]
具体实施时，将基于云与地球辐射观测卫星(ceres)辐射及云与大气数据、美国海洋与大气管理局(noaa)的全球地面覆盖数据(jpss-viirs-ast)，采用克里金空间差值方法、ceres半余弦时间差值方法计算出高时空分辨率地球大气顶层向月表的反射短波(0.2-4μm)及发射长波(4-100μm)辐射通量真值。
[0078]
步骤2，以步骤1所得的辐射通量真值为基础，计算出像元观测模拟值。
[0079]
地球辐射月基探测系统主要观测对象为地球大气层顶向月表的反射短波(0.2-4μm)及发射长波(4-100μm)辐射通量，某一像元短波观测值(mf
sw
)及长波像元观测值(mf
lw
)可由此像元物空间视场内部离散子节点计算结果求和获得：
[0080][0081][0082]
其中，下角标i为某一像元物空间视场子节点，下角标p为该像元物空间视场整体，fswi和flwi分别为子节点i对应的地球大气顶层的短波和长波辐射通量真值；pswi和plwi分
别为子节点i对应的地球大气顶层向月表的短波及长波辐射非均匀因子，其物理定义为方向性辐射亮度与辐射通量之比，通常用来实现辐亮度与辐射通量间的转换：
[0083][0084][0085]
iswi及ilwi分别为像元物空间视场子节点i的方向性长波辐亮度及短波辐亮度(由地球上被观测区域指向月基观测站)，pswi、plwi、iswi、ilwi、fswi及flwi与子节点i代表被观测区域的大气状态、观测几何、地面覆盖类型相关，psw
p
和plw
p
为整个像元物空间视场的toa辐射非均匀因子，通过其内部各子节点的辐射非均匀因子面积加权获得。一般地，pswi、plwi可由地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀模型给定，然而，现有模型大多采用简单假设，未充分考虑几个主要因素的影响，如：大气参数(如大气光学厚度，云类型，云量等)，观测几何(观测天顶角，相对方位角等)及地球地面覆盖类型(如水体，湿地，人造地表，冰川及永久积雪等)，从而给计算结果带来明显误差，本专利拟改进上述缺陷，充分考虑上述因素的影响，构建高精度地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀模型，具体构建步骤如下：
[0086]
1)地球大气状态影响定量评估：拟对ceres_cldtyphist大气状态数据进行时空序列分析，获取相关大气参数(如大气光学厚度，云类型，云量等)时空扰动信息，计算短波及长波辐射非均匀因子对相关大气参数变化的响应敏感度，定量评估相关大气状态参数对地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀因子的影响。
[0087]
2)观测几何影响定量评估：拟利用jpl星历数据开展地球-月基观测站空间位置分析，获取月基观测站各类观测几何参数(观测天顶角，相对方位角等)时变信息，计算短波及长波辐射非均匀因子对各类观测几何参数变化的响应敏感度，定量分析相关观测几何参数对地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀因子的影响。
[0088]
3)地球地面覆盖类型影响评估：基于全球地表覆盖数据(如globeland30_v2020)以月基观测站空间分辨率为基准(拟定为1km，将根据后续月基观测站时空分辨率相关研究进行调整)进行重采样，生成月基观测地球地面覆盖类型数据，计算短波及长波辐射非均匀因子对地面覆盖类型变化的响应规律，分析地球地面覆盖类型对地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀因子的影响。
[0089]
4)最后，综合分析上述结果，构建适用于地球辐射月基观测系统的高精度地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀模型。提高非均匀因子计算精度。
[0090]
式(1)及(2)中，n为像元物空间视场子节点个数，可由下式得到：
[0091][0092]
其中，sps是月基观测站的空间分辨率，spa是地球大气顶层向月表的辐射通量真值的空间分辨率。
[0093]
式(1)及式(2)中，d
li
为月基观测站与像元物空间视场子节点i的距离，vzi为像元物空间视场内部子节点i观测天顶角，ωi为像元物空间视场内部子节点i的视向量(由被观测对象指向月基观测站)与地心观测向量(由地心指向月基观测站)夹角，ai为像元物空间
视场内部子节点i代表的地球大气顶层区域面积，a
p
为整个像元物空间视场面积，ai与a
p
由wgs-84地球椭球面积积分计算获得，vz
p
为像元中心观测天顶角，ω
p
为像元中心视向量与地心观测向量与地心观测向量(由地心指向月基观测站)夹角，d
lp
为月基观测站到像元中心距离，d
li
、d
lp
、vzi、vz
p
、ωi及ω
p
需通过构建像元观测视场定位模型而后开展计算获得，像元观测视场定位模型的构建步骤如下：
[0094]
(1)距离及天顶角计算：d
li
、d
lp
可由nasa jpl de430星历数据距离参数(ds)给定，vzi、vz
p
可由下式计算得到：
[0095][0096][0097]
其中：
[0098][0099][0100]
其中，γ和分别为被观测点i的地球wgs-84椭球中心投影纬度及经度，可将jpl de430观测角参数结合spice投影角度函数(a
cal
)计算获得：
[0101][0102]
其中，λv为月基观测站投影点，可由jpl de430星历数据参数(sub-mero latitude)给定。xi、yi、zi分别为像元物空间视场子节点i的wgs-84三维笛卡尔坐标；p是像元物空间视场子节点i的椭球法向量，可由下式计算获得:
[0103][0104]
其中，a、b分别为wgs-84参考椭球段半轴及长半轴。
[0105]
(2)视向量-地心观测向量夹角计算：ωi及ω
p
可由下式计算得到：
[0106][0107][0108]
其中，ko可由下式计算得到：
[0109]
[0110]
步骤3，利用步骤2得到的观测模拟值，并基于步骤1的真值，计算探测误差；
[0111]
某一像元探测误差为该像元观测值与“真值”之差：
[0112]
esw＝mf
sw-fsw
[0113]
elw＝mf
lw-flw
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0114]
其中，err
sw
及err
lw
分别为某一像元短波观测误差及像元长波观测误差。最后，基于上述公式，计算不同位置像元的“探测误差”(如中心像元，中部像元，边界像元)并进行对比分析，获得像元探测误差的平均值及焦平面分布情况,统计探测误差的探测器阵列空间分布特征，从而为后续量化几何观测特征对探测误差的影响提供支持。
[0115]
步骤4，利用步骤3得到的探测误差，基于喷气与推进动力实验室(jpl)星历数据分析函数集，综合分析探测误差对各观测几何参数变化的敏感度，最终计算获得几何观测误差量化值。
[0116]
基于喷气与推进动力实验室(jpl)星历数据分析函数集，使用spice角度分析模块及距离分析模块结合本专利步骤2构建的像元物空间视场定位模型，计算长时间尺度内月-地-日相对位置关系的时变规律，主要包括：月球轨道几何特征、月球天秤动、地-月系统绕日特征等，揭示地球辐射月基探测系统观测几何(距离、角度等)的长期变化特征，其中月球轨道几何特征、月球天秤动、地-月系统绕日特征等可由jpl de430数据中的月球轨道数据参数集(lunar-orbit)通过切比雪夫多项式差值计算获得。而后利用上述地球辐射月基观测值模拟方法及“真值”，控制变量后计算地球辐射月基探测系统各像元短波及长波观测误差对各类观测几何参数变化的敏感度：
[0117][0118][0119]
其中，mlw为短波像元观测误差，msw为长波像元观测误差，s为待评测几何参数量，δgy为待测几何参数变化量，δesw及δelw为短波及长波几何观测误差变化量，角标i代表像元号，j代表待评估几何参数编号。综合计算各几何参数敏感度平方根均值，而后求解各像元平均值即可作为地球辐射月基探测系统短波(gsw)及长波(glw)几何观测误差量化值：
[0120][0121][0122]
其中，k为像元数，t为评估周期内时间节点总数。
[0123]
实施例2
[0124]
基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化装置，包括：
[0125]
真值获取模块，用于获取地球大气顶层向月表的短波及长波的辐射通量真值；
[0126]
观测值计算模块，用于不断改变观测几何参数的取值，基于短波及长波的辐射通量真值，以及预设的像元观测模拟值计算公式，计算出不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，所述像元观测模拟值计算公式考虑了大气参数、地面覆盖类型及观测几何参数；
[0127]
灵敏度计算模块，用于基于短波及长波的辐射通量真值，以及不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，计算出对应的像元观测误差，并进一步计算出各像元观测误差对各类观测几何参数变化的敏感度；
[0128]
几何观测误差量化值计算模块，用于基于所有敏感度的平方根均值进行时间平均运算，计算出几何观测误差量化值。
[0129]
其余部分均与实施例1相同。
[0130]
实施例3
[0131]
本发明实施例中提供了一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化系统，包括存储介质和处理器；
[0132]
所述存储介质用于存储指令；
[0133]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1中任一项所述的方法。
[0134]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0135]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0136]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0137]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0138]
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
[0139]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法，其特征在于，包括：获取地球大气顶层向月表的短波及长波的辐射通量真值；不断改变观测几何参数的取值，基于短波及长波的辐射通量真值，以及预设的像元观测模拟值计算公式，计算出不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，所述像元观测模拟值计算公式考虑了大气参数、地面覆盖类型及观测几何参数；基于短波及长波的辐射通量真值，以及不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，计算出对应的像元观测误差，并进一步计算出各像元观测误差对各类观测几何参数变化的敏感度；基于所有敏感度的平方根均值进行时间平均运算，计算出几何观测误差量化值。2.根据权利要求1所述的一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法，其特征在于：所述预设的像元观测模拟值计算公式的表达式为：征在于：所述预设的像元观测模拟值计算公式的表达式为：征在于：所述预设的像元观测模拟值计算公式的表达式为：征在于：所述预设的像元观测模拟值计算公式的表达式为：其中，mf
sw
为短波像元观测值，mf
lw
为长波像元观测值，下角标i为某一像元物空间视场子节点，下角标p为像元物空间视场整体，fsw
i
和flw
i
分别为像元物空间视场子节点i对应的地球大气顶层的短波和长波辐射通量真值；psw
i
和plw
i
分别为像元物空间视场子节点i对应的地球大气顶层向月表的短波及长波辐射非均匀因子，为方向性辐射亮度与辐射通量之比；isw
i
及ilw
i
分别为子节点i的方向性长波辐亮度及短波辐亮度，fsw
i
、flw
i
、psw
i
、plw
i
、isw
i
及ilw
i
与像元物空间视场子节点i所在区域的地面覆盖类型、大气状态、观测几何特征密切相关，psw
p
和plw
p
为整个像元物空间视场的地球大气顶层辐射非均匀因子，通过其内部各子节点的辐射非均匀因子面积加权获得，d
li
为月基观测站与像元物空间视场子节点i的距离，vz
i
为像元物空间视场内部子节点i观测天顶角，ω
i
为像元物空间视场内部子节点i的视向量与地心观测向量夹角，a
i
为像元物空间视场内部子节点i代表的地球大气顶层区域面积，a
p
为整个像元物空间视场面积，a
i
与a
p
由wgs-84地球椭球面积积分计算获得，vz
p
为像元中心观测天顶角，ω
p
为像元中心视向量与地心观测向量与地心观测向量夹角，d
lp
为月基观测站到像元中心距离。3.根据权利要求2所述的一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法，其特征在于：所述fsw
i
、flw
i
、psw
i
、plw
i
、isw
i
及ilw
i
由地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀模型给定。4.根据权利要求3所述的一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法，其特
征在于：所述地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀模型的构建方法包括：获取大气参数时空扰动信息，计算地球大气顶层向月表短波及长波辐射非均匀因子对相关大气参数变化的响应敏感度，定量评估相关大气状态参数对地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀因子的影响；获取月基观测站各类观测几何参数时变信息，计算地球大气顶层向月表短波及长波辐射非均匀因子对各类观测几何参数变化的响应敏感度，定量分析相关观测几何参数对地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀因子的影响；基于全球地表覆盖数据以月基观测站空间分辨率为基准进行重采样，生成月基观测地球地面覆盖类型数据，计算短波及长波辐射非均匀因子对地面覆盖类型变化的响应规律，分析地球地面覆盖类型对地球大气层顶-月基观测站辐射非均匀因子的影响。5.根据权利要求2所述的一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法，其特征在于：所述月基观测站与像元物空间视场子节点i的距离d
li
和月基观测站到像元中心距离d
lp
由nasa jpl de430星历数据距离参数给定；所述像元中心观测天顶角vz
p
的计算公式为：所述像元物空间内部视场子节点i观测天顶角vz
i
的计算公式为其中，其中，其中，其中，其中，γ和分别为像元物空间视场子节点i的地球wgs-84椭球中心投影纬度及经度，λv为月基观测站投影点,x
i
、y
i
、z
i
分别为像元物空间视场子节点i的wgs-84三维笛卡尔坐标；p是像元物空间视场子节点i的椭球法向量，a、b分别为wgs-84参考椭球段半轴及长半轴；所述像元中心视向量与地心观测向量与地心观测向量夹角ω
p
的计算公式为：
所述像元物空间视场子节点i的视向量与地心观测向量夹角ω
i
的计算公式为6.根据权利要求1所述的一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法，其特征在于：各像元观测误差的计算公式为：err
sw
＝mf
sw-fswerr
lw
＝mf
lw-flw其中，err
sw
及err
lw
分别为某一像元短波观测误差及像元长波观测误差。7.根据权利要求1所述的一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法，其特征在于：各像元观测误差对各类观测几何参数变化的敏感度的计算公式为：征在于：各像元观测误差对各类观测几何参数变化的敏感度的计算公式为：其中，mlw为短波像元观测误差，msw为长波像元观测误差，s为待评测几何参数量，δgy为待测几何参数变化量，δesw及δelw为短波及长波几何观测误差变化量，i为像元号，j为待评估几何参数编号。8.根据权利要求7所述的一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法，其特征在于：所述几何观测误差量化值的计算公式为：征在于：所述几何观测误差量化值的计算公式为：其中，gsw为短波几何观测误差量化值，glw为短波几何观测误差量化值，k为像元数，t为评估周期内时间节点总数。9.一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化装置，其特征在于，包括：真值获取模块，用于获取地球大气顶层向月表的短波及长波的辐射通量真值；观测值计算模块，用于不断改变观测几何参数的取值，基于短波及长波的辐射通量真值，以及预设的像元观测模拟值计算公式，计算出不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，所述像元观测模拟值计算公式考虑了大气参数、地面覆盖类型及观测几何参数；灵敏度计算模块，用于基于短波及长波的辐射通量真值，以及不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，计算出对应的像元观测误差，并进一步计算出各像
元观测误差对各类观测几何参数变化的敏感度；几何观测误差量化值计算模块，用于基于所有敏感度的平方根均值进行时间平均运算，计算出几何观测误差量化值。10.一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化系统，其特征在于，包括存储介质和处理器；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-8中任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种地球辐射月基探测平台的几何观测误差量化方法、装置及系统，包括获取地球大气顶层向月表的短波及长波的辐射通量真值；不断改变观测几何参数的取值，基于辐射通量真值，以及预设的像元观测模拟值计算公式，计算出不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，像元观测模拟值计算公式考虑了大气参数、地面覆盖类型及观测几何参数；基于辐射通量真值，不同观测几何参数对应的短波像元观测值和长波像元观测值，计算出对应的像元观测误差和各像元观测误差对各类观测几何参数变化的敏感度；基于所有敏感度的平方根均值进行时间平均运算，计算出几何观测误差量化值。本发明能够补足现有相关研究的缺陷，为误差标定提供支持。为误差标定提供支持。为误差标定提供支持。


技术研发人员：段文涛 金双根
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/25