大气折射对某掩星光谱仪跟踪角度的影响及应对策略

【摘 要】说明了掩星光谱仪的工作原理和组成，对掩星光谱仪的核心模块-太阳跟踪系统进行介绍。简要分析了大气折射对掩星光谱仪跟踪角度的影响，论证了准确计算每轨大气折射偏转角度的不可行性。最后，给出了应对策略，有效规避了大气折射导致的光谱仪跟踪角度的偏离，保证跟踪机构在日出第一时间对太阳的捕捉。

【关键词】太阳掩星；跟踪角度；大气折射

0 引言

全球的气候变化不仅是一个自然科学的问题，还对气候环境、社会经济和国家安全等方面产生了重大影响，而大气圈变化是全球气候变化中最活跃、影响最大的因素[1]。基于对大气问题的长期研究，大气科学界普遍认为必须对地球大气圈的成分进行精细测量，获取全时空全方位的科学数据，并对数据进行反演分析，理解和判断地球气候系统的变化趋势、气候系统演变的内在驱动力、气候系统的响应和反馈机制，为制定气候变化应对策略、规避和减小自然灾害服务。

为实现上述研究需要，某掩星光谱仪对地球大气进行高光谱分辨率、高信噪比和宽波段范围的精细光谱探测，获取南极上空不同高度的大气成分和浓度的切线分布，为气候变化研究和环境监测提供科学依据。

1 掩星光谱仪的工作原理和组成

1.1 工作原理

卫星对大气成分的探测模式包括天底角、临边和掩星观测模式等。掩星观测模式采用太阳辐射作为标定源，并通过大气的吸收来测量大气的特征谱，这种方式下的信号强，仪器的信噪比大，可适当减小光学系统的通光孔径，使系统更加简化；其次，每次测量时都以太阳辐射作为仪器的基准，基准统一，便于进行长周期的大气变化规律研究；此外，采用太阳掩星模式可以去掉复杂的星载黑体定标源，使得光谱仪的设计更趋简化。

光谱仪的工作原理见图1所示，光谱仪建立对日定向关系，首先获得没有大气吸收的太阳光谱辐射，如图1左侧的光线1，将此光线作为参考。当卫星运行到一定的位置，在日出时，如图1中的光线2-4所示，光谱仪探测到了经过大气吸收的太阳光谱数据，通过二者的差分比较，得出不同高度大气中的化学成分的吸收光谱。图1右还给出了不同高度的太阳吸收光谱曲线，结果显示随着高度的降低，大气中各种气体浓度增加，吸收路径延长，大气对太阳光谱吸收也更加强烈。由于不同气体分子吸收产生不同波长的吸收光谱，通过光谱探测就可以实现不同气体的成分和浓度探测。

1.2 组成

掩星光谱仪采用太阳跟踪机构加干涉摆臂机构形式，组成见图2所示。入射的太阳辐射先经分色器分光后，一路可见光到达跟踪相机，为跟踪控制器提供反馈图像；另一路红外辐射由输入光学系统进入干涉仪，通过动镜进行大光程差扫描，获取目标光谱的干涉叠加光信号[2]，输出光学系统将此信号汇聚到双波段红外探测器上，经过光电转换后得到干涉图，经处理后传输至卫星数传系统，最后到达地面经过反演得到不同高度的各种气体成分和浓度的空间分布。

1.3 太阳跟踪系统

太阳跟踪系统是光谱仪的核心模块，由太阳跟踪机构、分色器、跟踪相机和跟踪控制器组成，其主要功能是依靠跟踪控制器对太阳跟踪机构偏航、俯仰两轴旋转系统的驱动控制，实现光谱仪对太阳质心精确稳定的跟踪。太阳跟踪系统的工作模式分为粗跟踪和精跟踪两种，粗跟踪模式的工作流程为：在跟踪初期，光谱仪实时获取卫星提供的太阳方位矢量，通过解算获得跟踪指向镜偏航角和俯仰角的两轴转动角度，向太阳跟踪机构传达驱动信息，完成对太阳的捕获；精跟踪的工作流程为：跟踪相机提供精确的太阳图像，跟踪控制器根据接收的太阳图像数据，实时求取太阳质心，完成对太阳的精确跟踪。粗跟踪模式是精跟踪模式的基础，只有顺利捕捉到太阳，才能转入精跟踪模式；否则就会导致光谱仪在轨功能失效。所以光谱仪在跟踪模式初期，获得高准确度的太阳矢量信息是其在轨正常工作的基础。

2 大气折射对太阳矢量的影响

地球大气是由包围地球的多种气体和悬浮其中的固体粒子或液体粒子组成的混合物[3]，由于受到地球引力作用，地面的大气密度最大；高度越高，大气密度越小，整个大气层呈现上疏下密的状态[4]。从太阳发出的光线穿经地球大气层到达光谱仪时，由于大气密度发生变化，会造成光线偏离先前传输方向，传播路径产生弯曲，这种现象称为大气折射。

由于大气折射因素，光谱仪看到的太阳方向和没有大气折射的情况下是不同的，即光谱仪跟踪机构观测太阳的视方向偏离真实位置，观测到的太阳视天顶角小于实际天顶角。如图3所示，S是不考虑大气折射的太阳矢量，定义OZS所在的平面为太阳主平面，则光谱仪、地球和太阳的质心都在主平面上。根据图3所示，太阳矢量S将在主平面内向远离Z轴的方向偏折角度Δ，此时新的太阳矢量方向为S'方向。

Δ的大小是计算新太阳矢量的关键，然而精确计算Δ值是一个相当复杂、至今还没有完全解决的问题。人们对大气折射的研究已有400多年，现在采用的大气折射模型，都为了方便计算做了某些近似，不论是基里金的天文大气折射理论，还是普尔科沃大气折射表，都假设大气为理想的宁静条件，大气分布模型为球对称分布。而实际上大气折射除了随大气密度而变化以外，还与大气温度、大气湿度、气压、光波波长、观测的不同方位、地球纬度以及地球表面的地形有关，而这些参数都是瞬息万变的。不少天文台与天文学家进行了不懈的研究，一直没有得到根本上改善，无法准确计算随观测地点和方位而异的大气折射值[3]。其次，当太阳光垂直地面入射时，大气折射影响较小，随着天顶角的增大，越靠近地球边缘，折射角变化越大，而目前针对光谱仪靠近地球边缘入射的大气折射计算偏差最大；且对于掩星观测方式，会发生两次大气折射，计算更为复杂。再有，光谱仪观测的是地球南极上空的大气分布和浓度，目前大多数的大气模型温度、气压等参数都是针对中纬度或赤道地区的，极地大气的参数较少。最后，光谱仪在每一轨进行粗跟踪时的大气折射值会受当时的温度、气压等因素影响，是一个变化的值，无法在设计光谱仪时对太阳跟踪角度进行一次性偏差矫正。针对上述理由，精确的计算出每轨的大气折射值比较难于实现，因此需要采取措施排除大气折射对光谱仪跟踪角度带来的影响。