GPS测量的对流层误差.pdf
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1、1地矿测绘2004,20(2):13Surveyingand Mappingof Geologyand Mineral ResourcesCN 53-1124/TDISS N 1007-9394GPS测量的对流层误差测量的对流层误差谢世杰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)摘要摘要:论述了对流层时延的特性及其对GPS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WVR能精确
2、测定对流层时延误差。关键词关键词:GPS;对流层;时延中图分类号中图分类号:P 22814文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1007-9394(2004)02-0001-03ErrorError ofof thethe TroposphereTroposphereonon GPSGPS MeasurementsMeasurementsXIE Shi2jie1,PANBao2yu2(1.Surveying and Mapping Bureau of the Headquarter s of the General Staff,Beijing100088,China;2.Shandong
3、Institute of Surveying and Map2ping of Geology,Jinan,Shandong250011,China)AbstractAbstract:The authors introduce the nature of tropospheredelayeffecton GPSpositioning,via research,the authorscon2sider that tropospheredelay error affectsmainlyheight differenceprecision.Theeffectivemethodsevaluatingtr
4、oposphereeffectare as follows:gettingaveragevalueof each periodof time at each point,or eachobservationepochestimatingone usingone bymeansof random model.Tropospherevertex delay is osculation interrelation with angle of altitude;Tropospheredelay errorcould be accurately determinedusing WVR.K Keyey w
5、 wordsords:GPS;Troposphere;Delay1概述概述从地球表面至916 km高的大气层称为对流层,来自GPS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30 GHz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9 km,在赤道区约16 km。从对流层向上延伸到50 km左右称为休止层。本文概述对流层对GPS信号传播的影响,并介绍GPS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
6、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,GPS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214 m。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913 m。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20 cm。由此可见:对流层误差对GPS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1 cm的误差,则将导致垂直分量产生3 cm的误差。图1大气层结构Fig.1Aerospherestructure收
7、稿日期收稿日期:2004-01-20 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.2地矿测绘第20卷卫星信号通过对流层的过程中,不仅速度发生变化,而且传2时延特性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)10。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
8、项的总和表示测站的大气密度,即:N=NA+NW(1)6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,GPS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GPS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。其中NA比例于空气总密度,NW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NA和NW的高度断面图。阴影区是湿分量的变化范围。图3以高度角为函数的对流层时延。天顶时延为tA和tWFig.
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