gps信號(hào)對(duì)流層大氣折射率的影響及分段模型

gps信號(hào)對(duì)流層大氣折射率的影響及分段模型

當(dāng)gps衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)地球外層傳輸?shù)降孛嫔蠒r(shí)，它會(huì)受到流量層的影響。對(duì)流層對(duì)GPS信號(hào)的影響從天頂方向的2m到地平高度角15°的25m,即使通過(guò)模型修正,也只能修正其中的90%~95%;特別是濕大氣部分,由于變化隨機(jī)性強(qiáng),很難用模型來(lái)估計(jì)。所以對(duì)流層延遲的改正精度一直制約著GPS測(cè)量精度的提高。然而由于對(duì)流層誤差影響的復(fù)雜性,現(xiàn)有對(duì)流層模型的精度難以滿足高精度基線解算的要求。本文分析了不同高程段對(duì)流層大氣折射率的變化情況,建立了新的大氣折射模型,在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行分段積分,得到了站點(diǎn)的對(duì)流層改正模型,最后利用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)新模型和傳統(tǒng)模型進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了新模型的有效性。1流層大氣折射建模方法分析1.1大氣折射模型電磁波在大氣中傳播時(shí),由于受對(duì)流層的影響而使傳播速度及傳播路徑發(fā)生變化,以小于光速的群速在傳播,而傳播路徑也將產(chǎn)生彎曲(一般小于1cm,可以不予考慮),所以研究對(duì)流層對(duì)電磁波傳播的折射影響,首先就要研究對(duì)流層大氣折射率。大氣折射率隨高度h呈線性變化:式中,N(h)為高度h處的折射率;N0為地面折射率;ΔN為折射率梯度;h為從地面起算的高度。在近地面1km范圍內(nèi),此線性模型與實(shí)際數(shù)據(jù)之間吻合較好;若超出該范圍,則模型精度將隨高度的增加逐漸下降。為了得到高、低空都適用的大氣折射指數(shù)模型,平均大氣折射率可用負(fù)指數(shù)模型來(lái)近似:式中,c為指數(shù)衰減系數(shù)(1/m);h0為地面的海拔高度(m)。此模型對(duì)年平均或月平均大氣折射率誤差很小,一般小于5N單位。上述兩種模型各有適用的區(qū)段,但都不能完全表達(dá)大氣折射率的整個(gè)剖面。雖然在不同區(qū)段內(nèi)大氣折射率隨高程呈線性或負(fù)指數(shù)變化,但干濕項(xiàng)折射率隨高程的變化速度是不同的,所以要將它們分別考慮。1.2計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)基于以上的理論分析,并結(jié)合多地區(qū)、多時(shí)段探空數(shù)據(jù),作者提出了大氣折射率分段模型。該模型充分考慮了大氣折射率隨高程變化的特點(diǎn),將大氣從測(cè)站地面到測(cè)站處的對(duì)流層頂分為3層:第1層是從測(cè)站地面到測(cè)站上空1km處,該區(qū)段取線性模型;第2層是地面上空1km處到高程12km處,該區(qū)段取指數(shù)模型;第3層是從高程12km處到測(cè)站處的對(duì)流層頂,該段取另一種指數(shù)模型。這樣就可以更精確地描述整個(gè)剖面。干分量折射率公式:由于濕分量變化很大,且隨機(jī)性強(qiáng),目前尚沒(méi)有可靠的模型來(lái)進(jìn)行模擬,本文使用與干分量類似的公式來(lái)對(duì)濕分量折射率進(jìn)行解算:式中,下標(biāo)d和w分別代表干項(xiàng)和濕項(xiàng);N(h)為海拔高度h處的大氣折射率(N單位);N(h0)為地面處的大氣折射率(N單位);ΔN1為近地1000m內(nèi)的折射率梯度(1N/m);α1為地面上空1000m至海拔12000m的指數(shù)衰減率(1/m);α12為海拔12000~60000m的指數(shù)衰減率。和分別為各區(qū)段均質(zhì)大氣高度的平均值,干項(xiàng)均質(zhì)大氣高可用下式計(jì)算:式中,Rd為干氣體常數(shù);gm為平均重力;φ和h分別為用戶緯度和高程(m);T為絕對(duì)氣溫(K)。對(duì)于濕項(xiàng)均質(zhì)大氣高,按照φ劃分為3個(gè)帶:因?yàn)榇髿庹凵渲笖?shù)的年變化很小,模型中各參數(shù)可用各地區(qū)的年平均和不同季節(jié)平均值來(lái)求得。1.3新模型的大氣分辨率模型本文利用成都大氣探空站(高程544m,北緯32.7°,東經(jīng)103.83°)2004年7~9月每天2個(gè)時(shí)次(北京時(shí)間08時(shí)和20時(shí))的大氣探空數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)新模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證。不同高度折射率計(jì)算公式為:式中,P和T分別為規(guī)定層氣壓和溫度;ew為水氣壓;A=6.11,a=7.5,b=237.3;td為規(guī)定層露點(diǎn)溫度。設(shè)H=h0,則用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和新模型計(jì)算所得成都每天的大氣折射率差值如圖1所示。其差值中誤差見(jiàn)表1。從圖1和表1中可以看出,新模型對(duì)干分量折射率的符合精度明顯高于濕分量。對(duì)7~9月的解算結(jié)果進(jìn)行比較可以看出,干分量符合精度較穩(wěn)定,隨季節(jié)、時(shí)段的變化較小;而濕分量在7、8月(濕度較大)時(shí)精度較差,9月(相對(duì)較干燥)時(shí)精度又有所提高。而且新模型的濕分量折射率在08時(shí)的精度比20時(shí)的精度要高,主要是受大氣濕度的影響,這也符合了成都地區(qū)降水主要集中在夜間的事實(shí)。由新模型計(jì)算得出的干分量和濕分量折射率中誤差均值分別為2.7N和4.5N,說(shuō)明了新的大氣折射率模型具有很高的精度。濕分量對(duì)流層延遲為:式中,hd為對(duì)流層外邊緣的高度(m),hd=40136+148.72(T-273.16);T為高程H處的絕對(duì)氣溫;hw=12000m為對(duì)流層濕項(xiàng)的協(xié)議高度。3實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和軟件本文實(shí)驗(yàn)所選用的GPS站點(diǎn)為中國(guó)境內(nèi)部分IGS跟蹤站(BJFS、KUNM、LHAS和WU-HN)和四川連續(xù)觀測(cè)網(wǎng)中的成都站(CHDU)。所采用的數(shù)據(jù)為各站2004年7~9月共9d的數(shù)據(jù)(每隔10d取1d的數(shù)據(jù))。實(shí)驗(yàn)所用軟件為GAMIT10.2,解算時(shí)對(duì)流層解算參數(shù)個(gè)數(shù)選為13,氣象條件選取標(biāo)準(zhǔn)大氣條件。由于GAMIT軟件的對(duì)流層天頂延遲參數(shù)估計(jì)精度優(yōu)于±1cm,可視為真值,所以本文用上述3種模型計(jì)算出的對(duì)流層天頂延遲值與GAMIT軟件解算結(jié)果進(jìn)行比較即可求出模型精度。3.2延遲解算精度根據(jù)上述解算方法,利用不同模型對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,其各測(cè)站對(duì)流層天頂延遲解算結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢钥闯?Saastamoinen模型與Hopfield模型在各站的對(duì)流層天頂延遲解算精度都很接近,其差值約為±3mm。新模型與Saas-tamoinen、Hopfield模型在BJFS和WUHN站精度相當(dāng),約為±4cm,但隨著測(cè)站高程的增加,新模型的精度逐漸好于其他兩種模型。在CHDUKUNM和LHAS站,新模型的精度均約為±4cm,而Saastamoinen和Hopfield模型各站的精度分別為±5cm、±8cm和±10cm,其主要原因可能是由于Saastamoinen和Hopfield模型中不同高程處的氣象參數(shù)推算不準(zhǔn)確造成的。4新模型與satamoenn模型和hop-pcr模型的對(duì)比1)新大氣折射模型對(duì)干分量折射率符合較好(2.7N),也較穩(wěn)定,而濕分量由于其隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn),目前還不能很好地進(jìn)行模擬。2)利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)新模型與Saastamoinen模型和Hopfield模型進(jìn)行比較,結(jié)果表明,在測(cè)站高程較小的情況下,它們的精度相當(dāng)(±4cm);隨著高程的增大,新模型的精度要逐漸高于這兩種模型。在實(shí)際應(yīng)用中,為了獲得更精確的結(jié)果,需做好以下幾項(xiàng)工作。1)精確測(cè)定