子情境卫星信传播误差

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1、子情境子情境3 卫星信号传播误差卫星信号传播误差包括电离层折射误差、对流层折射误差、多路径效应误差一、电离层折射误差的影响众所周知，地球的外表包围着一层很厚的大气，大气的总质量约为3.9 kg，大约是地球总质量的百万分之一。由于地球吸引力的作用，引起大气的质量在垂直方向分布极不均匀，主要集中在大气层的底部，其中75的质量分布在10km以下，而90以上的质量分布在30km以下。通过大量观测资料的分析说明，大气在垂直方向的物理性质也有很大的差异。根据温度、成分和荷电等物理性质的不同，大气可分为性质各异的假设干大气层。按不同标准，对大气层也有不同的分层方法，以下图中给出了这种分类的概况。根据对电磁波

2、传播的不同影响，一般可将大气层分为对流层和电离层。10100100010000100000高度（km）温度热大气层中大气层同温层对流层电离质子层电离层中性层磁场磁层功率层传播电离层对流层工程技术上大气层下大气层图4-2 大气层的分类1810一、电离层折射误差的影响228.40fNIg228.40fNIp码相位观测：载波相位观测：传播路径上的电子总量信号频率所谓电离层，是指地球上空距地面高度在501000km之间的大气层。电离层中的气体分子由于受到太阳等天体各种射线辐射，产生强烈的电离形成大量的自由电子和正离子。当GPS卫星信号通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，使信号的传播路径发生变化

3、，传播速度也会发生变化。所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差。由此引起电磁波信号传播路径的变化：一、电离层折射误差的影响 可见，电离层对信号传播路径影响的大小，主要取决于电子总量和信号的频率。对于GPS卫星信号来说，在夜间当卫星处于天顶方向时，电离效果最弱，在电离层中传播路径最短，电离层折射对信号传播路径的影响，将小于5m；而相反，电离效果最强，在电离层中传播路径最长，在日间正午前后，当卫星接近地平线时，其影响可能大于150m。一、电离层折射误差的影响 电离层折射误差处理方法电离层折射误差处理方法：1.双频观测双频观测 由于

4、电离层的影响是信号频率的函数，所以，利用不同频率的电磁波信号进行观测，便可能确定其影响的大小，以便对观测量加以修正。一、电离层折射误差的影响利用电离层模型加以修正利用电离层模型加以修正目前，为进行高精度卫星导航和定位，普遍采用双频技术，目前，为进行高精度卫星导航和定位，普遍采用双频技术，可有效地减弱电离层折射的影响，但在电子含量很大，卫星可有效地减弱电离层折射的影响，但在电子含量很大，卫星的高度角又较小时求得的电离层延迟改正中的误差有可能达的高度角又较小时求得的电离层延迟改正中的误差有可能达几厘米。几厘米。为了满足更高精度为了满足更高精度GPS测量的需要，测量的需要，Fritzk、Brunne

5、r等人等人提出了电离层延迟改正模型。该模型考虑了折射率提出了电离层延迟改正模型。该模型考虑了折射率n中的高中的高阶项影响以及地磁场的影响，并且是沿着信号传播路径来进阶项影响以及地磁场的影响，并且是沿着信号传播路径来进行积分内容可参照学习情境行积分内容可参照学习情境4。计算结果说明，无论在。计算结果说明，无论在何种情况下改进模型的精度均优于何种情况下改进模型的精度均优于2mm。对于单频对于单频GPS接收机的用户，为了减弱电离层的影响，一般接收机的用户，为了减弱电离层的影响，一般是采用由导航电文所提供的电离层模型，或其它适宜的电离是采用由导航电文所提供的电离层模型，或其它适宜的电离层模型对观测量加

6、以改正。但是，这种模型至今仍在完善中。层模型对观测量加以改正。但是，这种模型至今仍在完善中。目前模型改正的有效性约为目前模型改正的有效性约为75，也就是说，当电离层对距，也就是说，当电离层对距离观测值的影响为离观测值的影响为20m时，修正后的残差仍可达时，修正后的残差仍可达5m。一、电离层折射误差的影响利用同步观测值求差利用同步观测值求差用两台接收机在基线的两端进行同步观用两台接收机在基线的两端进行同步观测并取其观测量之差，可以减弱电离层测并取其观测量之差，可以减弱电离层折射的影响。这是因为当两观测站相距折射的影响。这是因为当两观测站相距不太远时，由卫星至两观测站电磁波传不太远时，由卫星至两观

7、测站电磁波传播路径上的大气状况甚为相似，因此，播路径上的大气状况甚为相似，因此，大气状况的系统影响便可通过同步观测大气状况的系统影响便可通过同步观测量的求差而减弱。量的求差而减弱。这种方法对于短基线如小于这种方法对于短基线如小于20km的效果尤为明显，这时经电离层折射改的效果尤为明显，这时经电离层折射改正后基线长度残差一般为正后基线长度残差一般为1ppmD。所。所以在以在GPS测量中，对于短距离的相对定测量中，对于短距离的相对定位，使用单频接收机也可到达相当高的位，使用单频接收机也可到达相当高的精度。不过，随着基线长度的增加，其精度。不过，随着基线长度的增加，其精度随之明显降低。精度随之明显降

8、低。一、电离层折射误差的影响4.选择有利观测时段选择有利观测时段由于电离层的影响与信号传播路径上的电子由于电离层的影响与信号传播路径上的电子总数有关，因此，应选择最正确观测时段总数有关，因此，应选择最正确观测时段一般为晚上，这时，大气不受太阳光一般为晚上，这时，大气不受太阳光的照射，大气中的离子数目减少，从而到的照射，大气中的离子数目减少，从而到达削弱电离层影响的目的。达削弱电离层影响的目的。二、对流层折射误差的影响 对流层是高度为40km以下的大气底层，其大气密度比电离层更大，大气状况也更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低，GPS信号通过对流层时，也使传播的

9、路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，这种现象叫做对流层折射误差。二、对流层折射误差的影响由于对流层的介质对GPS信号没有弥散效应，所以其群折射率与相折射率可认为相等。由学习情境4中的知识可知，对流层折射对观测值的影响，可分为干分量与湿分量两局部，干分量主要与大气的温度和压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。干分量影响：当卫星处于天顶方向时，对流层干分量对距离观测值的影响约占对流层影响的90，且这种影响可以应用地面的大气资料计算。假设地面平均大气压为1013mbar，那么在天顶方向，干分量对所测距离的影响约为2.3m，而当高度角为10时，其影响约为20m。湿分量影响：湿分

10、量的影响虽数值不大，但由于难以可靠地确定信号传播路径上的大气物理参数，所以湿分量尚无法准确地测定。因此，当要求定位精度较高或基线较长时例如50km，它将成为误差的主要来源之一。目前虽可用水汽辐射计比较精确地测定信号传播路径上的大气水汽含量，但由于设备过于庞大和昂贵，尚不能普遍采用。二、对流层折射误差的影响212212)25.2sin(/)25.6sin(/swwsddhShS)11000(1046512.7)16.273(72.1484013610552.12025TkwTkkdHTeSHTTPS可知，通过测定测站点的高程HT、GPS卫星高度角hs、尽可能准确的掌握测站附近的气象资料气压P、温

11、度T、水汽分压e0等，即可计算干湿分量对距离的影响值，从而对距离观测量进行修正。处理方法：处理方法：1.定位精度要求不高时，可以简单地忽略。定位精度要求不高时，可以简单地忽略。2.采用对流层模型加以改正。采用对流层模型加以改正。为了计算出对流层对电磁波传播的影响值，许多学者如为了计算出对流层对电磁波传播的影响值，许多学者如BrownDC，WellsDE等都先后推荐了比较精确地改进模等都先后推荐了比较精确地改进模型来计算距离观测值的改正量。型来计算距离观测值的改正量。二、对流层折射误差的影响处理方法：处理方法：3.引入描述对流层影响的附加待估参数，引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中与

12、测站坐标、整周模糊度在数据处理中与测站坐标、整周模糊度等未知参数一并平差求解。等未知参数一并平差求解。4.观测量求差。观测量求差。与电离层的影响相类似，当两观与电离层的影响相类似，当两观测站相距不太远时例如测站相距不太远时例如100km时，对流层折射对时，对流层折射对GPS定位定位精度的影响，将成为决定性的因素之一。精度的影响，将成为决定性的因素之一。三、多路径效应误差的影响多路径效应，通常也叫多路径误差，即接收机天线，除直接收到卫星发射的信号外，尚可能收到经天线周围地物一次或屡次反射的卫星信号。两种信号叠加，将会引起测量参考点相位中心位置的变化，从而使观测量产生误差。而且这种误差随天线周围反

13、射面的性质而异，难以控制。根据实验资料的分析说明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达米级，对测相伪距的影响可达厘米级；而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽略的。直 接 信 号反 射 物多 路 径 信 号图 6-1 多 路 径 效 应 示 意 图三、多路径效应误差的影响处理方法：处理方法：1.选择适宜的站址选择适宜的站址多路径误差不仅与卫星信号方向和反射系数有关，而且与反多路径误差不仅与卫星信号方向和反射系数有关，而且与反射物离测站远近有关，至今无法建立改正模型，只

14、有采用以下射物离测站远近有关，至今无法建立改正模型，只有采用以下措施来削弱：措施来削弱：(1)测站应远离大面积平静的水面。灌木丛、草和其它地面植测站应远离大面积平静的水面。灌木丛、草和其它地面植被能较好地吸收微波信号的能量，是较为理想的设站地址。翻被能较好地吸收微波信号的能量，是较为理想的设站地址。翻耕后的土地和其它粗糙不平的地面的反射能力也较差，也可设耕后的土地和其它粗糙不平的地面的反射能力也较差，也可设站；站；(2)测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中，以防止反射信号从测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中，以防止反射信号从天线抑径板上方进入天线，产生多路径误差。天线抑径板上方进入天线，产生多路径误

15、差。三、多路径效应误差的影响处理方法处理方法：2.对接收机天线的要求(1)在天线中设置抑径板为减弱多路径误差，接收机天线下应配置抑径板。抑径板的半径r、高度角Z和抑径板高度h之间的关系为：Zhrsin/假设接收机天线相位中心至抑径板的高度h=70mm，截止高度角Z=15，那么抑径板的半径r必须大于或等于70mm/sin15=27cm。(2)接收机天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。由于多路径误差是时间的函数，所以在静态定位中经过较长时间的观测后，多路径误差的影响可大为削弱。3.延长观测时间由于多路径误差是时间的函数，所以在静态定位中经过较长时间的观测后，多路径误差的影响可大为削弱。