GPS测量的对流层误差
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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 ourcesG 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)02-0001-03Error of the Troposphere on GPS MeasurementsXIE 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;Delay1 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・1・Ξ收稿日期:2004-01-202 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 WFig.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卷层中的水分子含量。
利用W VR 观测值可算出水汽时延,精度优于1cm 。
此外,W VR 能在各种高度测量出周围大气的气压、气温和温度。
大汽湿度同水汽气压成正比,同温度成反比。
因此,W VR 数据可用于计算折射率。
但是,W VR 价格昂贵,只能用于少数的G PS 跟踪站和V LBI 站,几年内难于成为G PS 外业测量的标准装备。
图4 日夜温度和湿度的高度变化 Fig.4 Altitude varieties of temperature and humidity in dayand night4 气象数据已研究出很多气象模型,可在GPS 测量的同时,由附近的气象观测值算出天顶时延。
这些方法对测定天顶时延t A 特别有用,t A 同G PS 点垂直上方的总挖掘质量有关,同天线高处的气压成正比。
因此,气压测量的精度制约t A 可能达到的精度(例如,015毫巴的误差等于一个50Pa 的气压误差,由此引起t A含有112mm 的误差)。
然而,湿天顶时延同气象条件关系不大,它只能表示接收机上方的湿度概略分布,所有已积压模型都由于这个事实产生重大误差,所有已知模型都由于这个事实产生重大误差。
凡涉及到湿度断面及气压断面的能量法则的多数模型,都将导致t W 是简单地用表面的湿度和温度的函数来表示。
人们利用一组无线电控空数据可算出这些模型,精度低于30mm 。
目前已经很少人使用借助地面气象观测值的对流层时延模型,分析其原因,一是很难获取精确的气象观测值,而且常常出现较大的观测误差。
二是封闭地形及很多地方性微气候条件也严重影响气象观测值。
三是地面上50～100m 的大气动力过程也影响气象观测值的精度。
四是观测值误差及地面附近的效应也影响湿度和温度的观测值,从而严重影响总的湿折射断面及算出的天顶时延。
