2022年GPS对流层误差影响 .pdf

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1、GPS 控制网设计作业班级：测绘 08-1 班姓名：段昊强学号：0872143109 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 5 页 -GPS 测量的对流层误差影响(矿业工程学院测绘08-1班段昊强 0872143109 )摘要:对流层延迟是 GPS 定位中的主要误差之一,通过各种模型的研究比较,找出了修正对流层延迟较为有效的方法。关键词:对流层延迟;GPS 定位;误差正文：在现代地质测量工作中,GPS 占有越来越重要的地位,如何消除或削弱 GPS 定位中的各种误差是当前国内外许多学者研究的课题。根据GPS 的技术原理及工作过程,其影响精度的主要误差有:1)与GPS 卫星

2、有关;2)与信号传播有关;3)与仪器设备本身有关。在与信号传播有关的误差中,对流层折射一直是主要误差源之一。对流层延迟主要影响基线测量两点间的高差精度,高差愈大其影响也愈大。如果修正公式和参数模型不适宜时,每1 m高差可能产生 1 mm的误差,因此如何削弱对流层影响显得尤为重要一、对流层延迟对 GPS 信号的影响GPS 卫星信号在穿越对流层到达地面时,必然受到大气中对流层折射的影响,其中对流层延迟主要影响天顶方向,对GPS 信号的延迟可从 2 m(天顶)25 m(5)不等,既使通过误差模型修正,也只能修正 90%95%。特别是由于对流层中湿分量变化的随机性强,且大气的状态也随着地面的变化而变化

3、,很难用各种修正模型加以估计。对流层对 GPS 信号的折射影响可用图 1 表示。由于对流层中的大气成分较复杂,主要由氮气和氧气组成,并且还包含少量的水蒸气等其它气体,因此,在考虑电磁波在对流层中传播时的路径弯曲时,对流层延迟可用天顶方向的干、湿分量延迟及对应的投影函数式(1)表示。P=PZ,SMS(E)+PZ,W MW(E)(1)式中P 为对流层总延迟;PZ,S 天顶方向对流层干分量延名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 5 页 -迟;MS(E)相应的对流层干分量投影函数;PZ,W 天顶方向对流层湿分量延迟;MW(E)相应的对流层湿分量投影函数。S=P+D(2)式中D

4、对流层对传播距离所造成影响。设对流层中的大气折射率为n(r),真空中的折射率为 1,由于传播路径为曲线,因此,S 可写为:S=P+D=10rrn(r)sec(r)dr（3）式中卫星信号的真实传播路径的天顶距。将式(3)进行整理可得对流层对 GPS 信号的延迟影响为:D=10rr n(r)-1sec(r)dr+10rrsec(r)dr+10rrsec zdr（4）式中z 未考虑折射时的卫星天顶距。式中右侧第一项表示对流层对信号的延迟部分,对GPS 信号传播的影响起关键性作用;第二项表示信号的路径弯曲延迟,在卫星高度角较小(5)时,其大小可达 2 m左右,当等于 15时,仅为十几厘米,随着高度角的

5、增大路径弯曲延迟趋于零,可忽略不计。由于式中 n(r)接近于 1,通常在计算中引入折射率 N,与n(r)的关系式为:N=n(r)-1 106（5）标准大气压下的对流层折射率n(r0)与电磁波的波长之间的关系为:n(r)-1 106=2871604+116288-2+010136-4 波长以m 为单位。N 可用气象参数表示为:N=1kTPs+k223TekTeww（6）式中1k、k2、3k 折射常数;Ps、ew 干大气压和饱和水汽压,mbar(1bar=011MPa);T 绝对温度,K。其中饱和水气压)(02808.5)16.373(246.1013WTgWweTKmbare若考虑中性大气的非理

6、想气体因素:N=11SSZTPk1232WwwZTekTek(7)式中Zs、Zw 干、湿大气的非理想气体压缩因子;右侧第一项为干分量的折射率,第二项为湿分量的折射率。将式(7)进一步推导可得:名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 5 页 -N=12321WwwSZTekTekRk(8)式中Rs 摩尔气体常数;大气密度;2k=)(12SWMMkk;Mw、Ms 水汽和干大气的摩尔质量。当忽略湿大气的非理想气体压缩因子 Zw 的影响,水气压为 es 时,对流层天顶延迟为:D=drTekTekPgRkrrssms102326161010(9)式中P 总的大气压;gm 加权平均重

7、力加速度,与测站所处的纬度和高度有关;)1086.11(105.434WwsTeeSWSPTT)(;Ts 干温;Tw 湿温;Ps 当时气压。式中Ts 和 T w 以K 为单位,Ps、es、ew 以 mbar 为单位。式(9)右侧第一项为流体静力学延迟,约占总天顶延迟的95%,如果能精确测得当时所处的大气压,精度可达到亚毫米级;第二项为非流体静力学延迟,只要确定了适宜的温度、水蒸气压和所处高度的关系即可得出结果,但是由于空气中各部分含量随时间变化而变化,所以很难确定它们之间的精确关系。所以,非流体静力学延迟的模型精度要比流体静力学延迟的模型精度差一些,但由于其所占部分相对较小,因此对总的天顶延迟

8、影响不大。二、除或削弱对流层延迟的措施目前,普遍使用的消除或削弱对流层延迟方法,是将对流层折射分解为天顶延迟和与卫星高度角有关的投影函数来表示任意方向上的折射影响:1)对流层延迟误差主要影响GPS 高差方面的精度。当两点之间高差越大,对流层延迟的误差越大,目前对流层延迟误差仍然是提高GPS 测定高程精度的主要障碍;2)在现时应用中,有些 GPS 接收机的随机软件采用萨氏对流层模型,该模型既可使用标准大气模型,也可用实际气象数据计算天顶延迟,并且能估算出对流层天顶延迟的残余值;3)对流层延迟最有效的估算方法是在每点上估算天顶延迟,并按每时段取平均值或利用某一随机模型按每个观测历元逐一估算;名师资

9、料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 5 页 -4)理论上对流层天顶延迟同高度角密切相关,若在低高度角上观测GPS 卫星会改进高差测定精度,但由此引起的电离层和多径误差将大于对流层误差,所以此方法不可取。通常应用的主要方法:射线轨迹法、模型估计法、参数估计法等。三、结语随着GPS 实用性越来越广,定位精度问题变得尤为重要。研究对流层延迟对GPS测量的影响具有必要性和创新性,通过各种模型的研究比较,力求找出修正对流层延迟较为有效的方法。对流层在不同方位角引起的折射是不相等且不均匀的,理论和实际值之间可能存在着厘米级误差,因此,在处理低高度角观测数据时必须加以修正,才能更精确地描述气象环境,使GPS 定位精度进一步提高。参考文献:1 刘大杰,施一民,过静-编著1 全球定位系统(GPS)的原理与数据处 M1 同济大学出版社,19961 2 许其凤编著 1 GPS 卫星导航与精度定位 M 1 解放军出版社,19891 3 谢世杰,潘宝玉 1 GPS 测量的对流层误差 M 1 地矿测绘,20041 4 刘基余,李征航,王跃虎,桑吉章编著 1 全球定位系统原理及其应用M 1 测绘出版社,19931 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 5 页 -