GPS定位系統(tǒng)中幾種對(duì)流層模型的探討

趙鐵成,韓曜旭

(中國(guó)人民解放軍61769部隊(duì),黑龍江 哈爾濱150039)

0 引 言

所謂對(duì)流層即為從地面向上約40 km范圍內(nèi)的大氣層,整個(gè)大氣層質(zhì)量的99%幾乎都集中在該層中。對(duì)流層與地面接觸,具有很強(qiáng)的對(duì)流作用。風(fēng)、雨、云、霧、雪等主要天氣現(xiàn)象,均出現(xiàn)在該層中,該大氣的成分除含有各種氣體元素外,還含有水滴、冰晶、塵埃等雜質(zhì),它們對(duì)電磁波的傳播產(chǎn)生很大影響。由于對(duì)流層中空氣的折射率在不斷變化,因此,當(dāng)GPS信號(hào)通過(guò)對(duì)流層時(shí),在傳播的路徑上會(huì)產(chǎn)生彎曲和延遲兩種效應(yīng),因此使測(cè)量距離產(chǎn)生誤差。對(duì)流層延遲的影響還與信號(hào)的高度角有關(guān),對(duì)于一個(gè)海平面上的中緯度站,在天頂方向(高度角為90°)其影響達(dá)2 m;在地面方向(高度角為10°)其影響可達(dá)20 m[1-2]。

1 對(duì)流層路徑延遲

電磁波在對(duì)流層中傳播與在真空中傳播相比,會(huì)導(dǎo)致額外的路徑長(zhǎng)度,即彎曲和延遲。其額外的路徑長(zhǎng)度可表示為

式中:L=∫n(s)ds,即電磁波走過(guò)的實(shí)際路徑長(zhǎng)度;L為沿著曲線(xiàn)路徑;G為衛(wèi)星與GPS接收機(jī)之間的直線(xiàn)長(zhǎng)度。這部分額外的路徑幾何長(zhǎng)度(LG)僅占全部路徑延遲的0.1%左右,常忽略不計(jì)。因此,對(duì)流層中的路徑延遲主要?dú)w因于信號(hào)的阻滯,這部分表示為

式中:N=(n-1)×106為大氣的折射率;n為傳播路徑上空氣的折射指數(shù)。在假定折射率是關(guān)于球面對(duì)稱(chēng)的前提下,上式中的s可用r代替(r是地球中心至傳播路徑上任意點(diǎn)的半徑)。空氣的折射率常用經(jīng)驗(yàn)公式表述,且與空氣的熱力學(xué)狀態(tài)變量有關(guān)。大氣折射率是空氣密度ρ(kg/m3)和水汽密度 ρv的函數(shù):