GPS 對流層誤差影響

1、GPS控制網(wǎng)設(shè)計作業(yè)班級：測繪08-1班姓名：段昊強學(xué)號：0872143109GPS測量的對流層誤差影響( 礦業(yè)工程學(xué)院 測繪08-1班 段昊強 0872143109 )摘要: 對流層延遲是GPS 定位中的主要誤差之一, 通過各種模型的研究比較, 找出了修正對流層延遲較為有效的方法。關(guān)鍵詞: 對流層延遲; GPS 定位; 誤差正文：在現(xiàn)代地質(zhì)測量工作中, GPS 占有越來越重要的地位, 如何消除或削弱GPS 定位中的各種誤差是當(dāng)前國內(nèi)外許多學(xué)者研究的課題。根據(jù)GPS 的技術(shù)原理及工作過程, 其影響精度的主要誤差有: 1) 與GPS 衛(wèi)星有關(guān);2) 與信號傳播有關(guān);3) 與儀器設(shè)備本身有關(guān)。在與

2、信號傳播有關(guān)的誤差中, 對流層折射一直是主要誤差源之一。對流層延遲主要影響基線測量兩點間的高差精度, 高差愈大其影響也愈大。如果修正公式和參數(shù)模型不適宜時, 每1 m高差可能產(chǎn)生1 mm的誤差, 因此如何削弱對流層影響顯得尤為重要一、對流層延遲對GPS 信號的影響GPS 衛(wèi)星信號在穿越對流層到達地面時, 必然受到大氣中對流層折射的影響, 其中對流層延遲主要影響天頂方向, 對GPS 信號的延遲可從2 m(天頂) 25 m (5°) 不等, 既使通過誤差模型修正, 也只能修正90 %95 %。特別是由于對流層中濕分量變化的隨機性強, 且大氣的狀態(tài)也隨著地面的變化而變化, 很難用各種修正模

3、型加以估計。對流層對GPS 信號的折射影響可用圖1 表示。由于對流層中的大氣成分較復(fù)雜, 主要由氮氣和氧氣組成, 并且還包含少量的水蒸氣等其它氣體, 因此, 在考慮電磁波在對流層中傳播時的路徑彎曲時, 對流層延遲可用天頂方向的干、濕分量延遲及對應(yīng)的投影函數(shù)式(1) 表示。P =PZ, SMS ( E) +PZ,W MW ( E) (1)式中P 為對流層總延遲; PZ, S 天頂方向?qū)α鲗痈煞至垦舆t; MS ( E) 相應(yīng)的對流層干分量投影函數(shù); PZ,W 天頂方向?qū)α鲗訚穹至垦舆t; MW ( E) 相應(yīng)的對流層濕分量投影函數(shù)。 S= P + D (2)式中D 對流層對傳播距離所造成影響。設(shè)對流

4、層中的大氣折射率為n ( r) , 真空中的折射率為1 , 由于傳播路徑為曲線, 因此, S 可寫為:S = P + D =n( r) sec( r) dr （3）式中衛(wèi)星信號的真實傳播路徑的天頂距。將式(3) 進行整理可得對流層對GPS 信號的延遲影響為:D = n( r) - 1sec( r) dr +sec( r) dr +seczdr （4）式中z 未考慮折射時的衛(wèi)星天頂距。式中右側(cè)第一項表示對流層對信號的延遲部分,對GPS 信號傳播的影響起關(guān)鍵性作用; 第二項表示信號的路徑彎曲延遲, 在衛(wèi)星高度角較小( < 5°) 時, 其大小可達2 m左右, 當(dāng)?shù)扔?5°

5、時, 僅為十幾厘米, 隨著高度角的增大路徑彎曲延遲趨于零, 可忽略不計。由于式中n ( r) 接近于1 , 通常在計算中引入折射率N , 與n ( r) 的關(guān)系式為:N = n ( r) - 1 ×106 （5）標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的對流層折射率n ( r0 ) 與電磁波的波長之間的關(guān)系為: n ( r) - 1 ×106 = 2871604 +116288- 2 +010136- 4波長以m為單位。N 可用氣象參數(shù)表示為: N =+k （6）式中 、k 、折射常數(shù); Ps 、ew 干大氣壓和飽和水汽壓, mbar (1bar = 011MPa) ; T 絕對溫度,°K。

6、其中飽和水氣壓若考慮中性大氣的非理想氣體因素:N= (7)式中Zs 、Zw 干、濕大氣的非理想氣體壓縮因子; 右側(cè)第一項為干分量的折射率, 第二項為濕分量的折射率。將式(7) 進一步推導(dǎo)可得:N= (8)式中Rs 摩爾氣體常數(shù); 大氣密度; = ; Mw 、Ms 水汽和干大氣的摩爾質(zhì)量。當(dāng)忽略濕大氣的非理想氣體壓縮因子Zw 的影響, 水氣壓為es 時, 對流層天頂延遲為: D= (9)式中P 總的大氣壓; gm 加權(quán)平均重力加速度, 與測站所處的緯度和高度有關(guān); ; Ts 干溫; Tw 濕溫; Ps 當(dāng)時氣壓。式中Ts 和T w 以°K 為單位, Ps 、es 、ew 以mbar 為

7、單位。式(9) 右側(cè)第一項為流體靜力學(xué)延遲, 約占總天頂延遲的95 %, 如果能精確測得當(dāng)時所處的大氣壓, 精度可達到亞毫米級; 第二項為非流體靜力學(xué)延遲, 只要確定了適宜的溫度、水蒸氣壓和所處高度的關(guān)系即可得出結(jié)果, 但是由于空氣中各部分含量隨時間變化而變化, 所以很難確定它們之間的精確關(guān)系。所以, 非流體靜力學(xué)延遲的模型精度要比流體靜力學(xué)延遲的模型精度差一些, 但由于其所占部分相對較小, 因此對總的天頂延遲影響不大。二、除或削弱對流層延遲的措施目前, 普遍使用的消除或削弱對流層延遲方法, 是將對流層折射分解為天頂延遲和與衛(wèi)星高度角有關(guān)的投影函數(shù)來表示任意方向上的折射影響:1) 對流層延遲誤

8、差主要影響GPS 高差方面的精度。當(dāng)兩點之間高差越大, 對流層延遲的誤差越大, 目前對流層延遲誤差仍然是提高GPS 測定高程精度的主要障礙; 2) 在現(xiàn)時應(yīng)用中, 有些GPS接收機的隨機軟件采用薩氏對流層模型, 該模型既可使用標(biāo)準(zhǔn)大氣模型, 也可用實際氣象數(shù)據(jù)計算天頂延遲, 并且能估算出對流層天頂延遲的殘余值;3) 對流層延遲最有效的估算方法是在每點上估算天頂延遲, 并按每時段取平均值或利用某一隨機模型按每個觀測歷元逐一估算;4) 理論上對流層天頂延遲同高度角密切相關(guān), 若在低高度角上觀測GPS 衛(wèi)星會改進高差測定精度, 但由此引起的電離層和多徑誤差將大于對流層誤差, 所以此方法不可取。通常應(yīng)用的主要方法: 射線軌跡法、模型估計法、參數(shù)估計法等。三、結(jié)語隨著GPS 實用性越來越廣, 定位精度問題變得尤為重要。研究對流層延遲對GPS測量的影響具有必要性和創(chuàng)新性, 通過各種模型的研究比較,力求找出修正對流層延遲較為有效的方法。對流層在不同方位角引起的折射是不相等且不均勻的, 理論和實際值之間可能存在著厘米級誤差, 因此, 在處理低高度角觀測數(shù)據(jù)時必須加以修正, 才能更精確地描述氣象環(huán)境, 使GPS 定位精度進一步提高。參考文獻:1 劉大杰, 施一民, 過靜- 編著1 全球定位系統(tǒng)( GPS) 的原理與數(shù)據(jù)處M1同濟大學(xué)