GPS测量的对流层误差

地矿测绘 2004,20(2):1～3C N53-1124/T D　ISS N1007-9394 Surveying and Mapping of G eology and Mineral Res ources

G PS测量的对流层误差Ξ

谢世杰1,潘宝玉2

(1.总参测绘局,北京　100088;2.山东省地质测绘院,山东济南　250011)

摘要:论述了对流层时延的特性及其对G PS定位测量影响的大小。经研究认为,对流层时延误差主要影响高差精度;估算对流层效应的有效方法是首先在每点上估算天顶时延,然后按每个时段取平均值或利用随机模型按每个观测历元逐一估算;对流层天顶时延同高度角密切相关;使用W VR能精确测定对流层时延误差。

关键词:G PS;对流层;时延

中图分类号:P22814 文献标识码:A 文章编号:1007-9394(2004)02-0001-03

Error of the Troposphere on GPS Measurements

XIE Shi2jie1,PAN Bao2yu2

(1.Surveying and Mapping Bureau o f the H eadquarter s o f the G eneral Staff,Beijing100088,China;2.Shandong Institute o f Surveying and Map2 ping o f G eology,Jinan,Shandong250011,China)

Abstract:The authors introduce the nature of troposphere delay effect on G PS positioning,via research,the authors con2 sider that troposphere delay error affects mainly height difference precision.The effective methods evaluating troposphere effect are as follows:getting average value of each period of time at each point,or each observation epoch estimating one using one by means of random m odel.Troposphere vertex delay is osculation interrelation with angle of altitude;Troposphere delay error could be accurately determined using W VR.

K ey w ords:G PS;Troposphere;Delay

1　概述

从地球表面至9～16km高的大气层称为对流层,来自G PS 卫星的信号在穿过电离层后,即穿过平流层和对流层,见图1。

平流层和对流层是中性离子,对低于30G H z的无线电信号没有散射作用,即非散射性。对流层位于大气层的最底层,气温随高度的减小而增加。地球表面的气象变化同对流层密切相关。对流层的高度,在南北极区约9km,在赤道区约16km。从对流层向上延伸到50km左右称为休止层。本文概述对流层对G PS信号传播的影响,并介绍G PS定位测量中削弱对流层误差的方法。

对流层的非散射对调制在L1和L2频率上的载波相位将产生时延。由于人们不能直接测量此对流层时延,故只能依靠模型估算。

显然,G PS信号来自天顶方向时,穿过对流层的路线为最短,时延值约为214m。随着天顶距的增加,时延也加大。当天顶距为75°时,时延值约为913m。研究和实践证明:利用精确的对流层模型,天顶时延的预报误差小于20cm。由此可见:对流层误差对G PS导航和低精度定位而言,可不予考虑。但是,对于采用载波相关观测值的高、中精度的定位测量而言,必须顾及对流层误差。对流层误差是制约点位精度提高的关键,特别是垂直分量。如果对流层天顶时延有1cm的误差,则将导致垂直分量产生3cm的误差

。

图1　大气层结构

Fig.1　Aerosphere structure

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1

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Ξ收稿日期:2004-01-20

2　时延特性

对流层既能改变无线电信号的传播速度又能改变信号的传播方向。这两种影响同介质的折射率密切相关。折射率是用真空中的速度同在介质中的传播速度之比定义的。传播方向按斯涅耳(Snell )折射定律定义。由于空气的折射率仅略大于1,故常用1代表折射率N 。N 可简写为(n -1)×106

。

测站的空气折射率取决于该点的干空气密度和水汽密度的总和。因此,可用这两项的总和表示测站的大气密度,即:

N =N A +N W

(1)

其中N A 比例于空气总密度,N W 主要由湿空气的密度来决定。密度是干空气和水汽的气压的函数。图2是由无线电探空仪数据导出的折射率N A 和N W 的高度断面图。阴影区是湿分量的变化范围

。

图2　折射率N A 和N W 的高度断面图

Fig.2　Altitude section map of refractive index N A and N w

仔细察看图2可揭示一些现象。首先,在对流层中N A 的变化较小,因为除水汽和凝结水外,空气含量几乎是常数。第二,

40km 以上时,N A 可忽略不计。因此,只有对流层和平流层对卫

星信号的传播起很大作用。在更高的散逸层(50～80km )及热电离层(80～500km )的影响极小。第三,湿折射率只在对流层底部(<5km )处才起作用。干空气和水汽的混合是一个相当复杂的过程,此过程主要取决于大气条件。因此,N W 值随高度、时间和地点发生剧烈变化,而且很难预测。湿折射率的变化在大气分界处为最大,此分界层一般在115km 的高度处,有云时可到4km 的高度处。

观测卫星的高度角越小,对流层对G PS 信号的影响越大,因为信号必须走很长的路线才能穿过对流层。因此,在G PS 外业中,通常避免观测截止高度角低于15°的卫星。下面的讨论都假定截止高度角为15°。此外,截止高度低于15°时,即使双频接收机也难于消除电离层误差[1],多径误差也将增大[2],卫星信号也会变弱,甚至失锁,这些误差也随之增大。

卫星信号通过对流层的过程中,不仅速度发生变化,而且传

播方向也发生变化,路径也呈曲线。在天顶方向,曲线改正为

0,高度角小于15°时约1cm 。此项改正不难用公式预估。

研究表明,G PS 信号穿过对流层的时延是沿整个传播路线折射率的积分。图3表明:对流层时延是G PS 卫星高度角的函数。上曲线是总密度时延,阴影区是水汽时延。水汽时延的变化较大,这给估算对流层误差带来严重困难

。

图3　以高度角为函数的对流层时延。天顶时延为t A 和t W

Fig.3　T roposphere delay taking altitude angle as function

图3是不同高度角的对流层时延。此时延随高度角的减小而增大。如令N =N A +N W ,则天顶时延可用天顶的大气时延

(t A )和水汽时延(t W )的总和来表示。即:

对流层时延=测图函数×(t A +t W )

t A 值一般在213～214m 之间,t W 值在南北极区为几mm ,在

沙漠区为几cm ,在回归区为40cm 或更大。对流层时延的最大特点是可以模拟,即用天顶时延乘以测图函数,而测图函数则是

根据测站的气象值求出天顶的时延值导出的。此外,也可在

G PS 观测值的平差中,将每点算出的天顶时延值作为未知参数,

求出各个高度角的时延值。

高度角大于15°的测图函数公式比较简单。通常采用的测

图函数与萨氏(Saastam onien )对流层时延模型相同,萨氏模型是以接收机至卫星的高度角为函数。就截止高度角15°而言,萨氏对流层模型的精度优于5mm 。测图函数难于精化,也很难简化,但已广泛用于G PS 数据的处理。

3　W VR 测量值

G PS 天线处的气压是计算t A 观测值的关键。这也是人们

选用折射率N A 的原因。N A 同空气总密度密切相关。计算水汽时延所需要观测的基本数据有两种方法:水汽幅射测量法和无线电探空测量法。水汽时延随高度发生瞬时万变,见图4。

地面附近的效应(a 、b )表示测量高度(虚线)。

在甚长基线干涉(V LBI )技术中,研究出水汽幅射仪(W VR )。

W VR 能以很高的精度测出各方向的水汽时延。

一台W VR 能沿天线方位卫星方向测量水分子的温度。

W VR 在两种频率上工作;22G H z 测量水汽含量;31MH z 测量云

・2・地矿测绘第20卷