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1、丁N 川、 _二_ . _ _ . _. _ 。 _ _， 用于 G P S的对霖层甩理价MAMMMMA 张 琦 中日电 渡传拼研究所，河宙新乡.4 5 3 0 0 3 . 姿 C P S在找国呈示出了 越来越广泛的用途，然而由于我国的气象条件与美国有 较大的差 别，因此我国G PS用户接收 机所处地的大气 折射 误差改正 项与 关国 就会有一定的差别.为了 提高我 国用户接收机定位精度，本文给出 我国对流层电 波折时误差预报方法， 并且对其精度也进 行了数位 检脸。 关.词C P S 电浪折射误差 1 引言 G P S 卫星 全球定位系统( G l o b a l P o s i t i o
2、 n i n g S y s t e m ) 是 美国国防部( D O D ) 在 1 9 7 3 年底 指令 研制的一 个供三军共用并 有民 用窗口的导 航系统， 现己 投入正式 运行，为全球陆、海、 空及 近地空间的各军、民 用户全天侯提供 连续、高精 度的 三维位置、 速度和时间等信息。 根据 G P S的 设计要求，它能提 供两种服务。 一种为精密定 位服务( P P S ) ，使用 P码，定 位 精度约 I O m左右， 只供美国及盟国的军 事部门 和特许的民 用部门 使用。 另一种为标准定位 服务( S P S ) ，使用C / A 码， 定位精度约为1 0 0 0 左 右，向 全
3、世界开 放。 但是，由 于G P S 的定 位 误 差 太 大 ， 又 加 上 美国 对G P S 工 作 卫 星 实 行 了 选 择 可 用 性 ( S A政 策 ) 的 保 护 措 施 ， 因 此 在我国极大地限 制了 其精密动态应用，这就需要 采用新的方法并对 有关 误差 进行修正。 我们知道， 大气是不均匀介质，当电 波在大气中传播时，大气介质会使得电 波产生折 射 效 应， 以 致 传 播 速 度 小 于 光 速， 传 播 路 径 产 生 弯曲 ， 最 终 使 得 在 无 线 电 定 位 、 测 速 、 导 航时产生误差，因此提高G P S定位精度的途径之一是要进行电波折射误差预报。
4、 在 我国 差分 G P S 是常用的是定 位技术。 它是在基 准站上进行 G P S观测，利用已 知的 基 准站精密坐标计算出 基准站到卫星的 伪距改正数， 并将这一改正数实时发送出去。 用户 接收 机在进行G P S 观测的同时，也 接收 基准站的伪距改正 数， 对其伪距测量进行改正。再 用改正过的伪距 进行定 位计算，从而求解出 精确的 用户 接收机位置。但 在实际 使用中，如 用 户接收机距基准站距离不 太远， 差分G P S 可得到很精 确用户接收机位置。然而如果 用户 接收机距基准站距离 较远，由于我国的气象 条件与美国有 较大的差别，用户 接收机所处的 大气引起的误差 改正项与美
5、国的就会有一定的 差别， 如果G P S 电文中的 误差 改正项代替我 国的大气误差改正项 就会影响其定位精度，因 此必须用我国的大气参数 进行电波折射误差 预报。本文 给出 在我国进行对流层电 波折射误差预报模式，并且 对其精度进行了数 值检验。 2 .中国大气模式 要对中国的G P S 定 位应用进行电 波折射误差进行预 报，首 先必须弄清中国的大气 模 式。 在电 波折射 误差预 报中常 用的大气参数是 折射率， 在低层大气中，折射率是大气 温度、 气 压 和 湿 度 的 函 数 P 1 。 折 射 率 不 但沿 高 度 变 化 ， 而 且 沿 水 平 方向 也 有 一 定 的 变 化，
6、 水 平 方 向 变化的程度受下垫 面的 影响 较大， 下垫面平坦均匀时，大 气的 水平不 均匀性较小;F 垫 4 0 7 一 一二一 曰 . 户 瓦 起 伏 较 大 时 . 大 气 的 水 平 不 均 匀 性 较 大1 2 1 。 在 一 般 情况 下 ， 折 射 率 在 水 平 方向 比 垂 直 方 向 低1 - 3 个 数 量 级1 3 1因 此 在G P S 电 波 折 射 误 差 预 报 中 只 需 要垂 直 方向 上 的 大 气 模 式. 2 . 1 探洲傲 据处理 目 前测量低空 大气参数的方法一 般是 用5 9 型探空仪 进行 探测， 探空仪在空中每隔8 - 1 0秒可测最出一
7、 组气压、温 度、 湿度三个气象参数，由于 在电 波折射预报中 所用到的大气 参数是大气折射率N, 因此必须把测量到的 气象参数换算成大气折射率， 从而得到 离散的 大 气剖面。 这里 采用常用的大气折 射率 计算公式，公式本身的 误差为。 . 5 %0 !llwel自1 _ _P_ . _ e 浑 = 7 / .b一十s : / sxl u - - T T ( 1 ) 式中N为 大气价射率;Y为人 气压强， h P a ; T为 空气热力学温度， k 仃 = 2 7 3 + t ) ; 气摄氏 温度，; e 为水汽分压强. h P a . 当湿TV参数为 相对N度明，水汽分压强e 可用卜 式
8、计算: 。二ExRH / 1 0 0 为空 俘(3 ( b x t l 乙 =a x - - p 5 - r t c+ r j 这里E为 饱和水汽压强。h P a ; R H为 相对湿度， % :系数a . b . c 见表 系数， ? 0 t0c A L. 一一-6 . 1 1 2 1 _ 6 . 1 1 1 5 B - 一 万 ， 一亏 石 乏_ 2 2 .4 5 2 2 7 2 . 5 5 c 2 4 0 . 9 7 leeJ，.1，1 2 2 大气橄式 一般大气模式可分为 线性模式、 指数摸式和分段模式。 相比 较而言，分 段模式的 精度 最高 1 4 1 , 因此对于精度 要求比 较
9、高 时， 对流层折射率N剖面就用 卜 面分段模式。 第一段为近地面 l k m大气层: N ( h ) = N , + A N , x ( h 一 h l ) ( h s h h s + 1 ) ( 4 ) 式 中N ( h ) 为 指 定 高 度 上的 折 射 率 ， N 单 位; N s 为 地 面 折 射 率 ， N单 位; h 为 指 定 海 拔高 度， k m - h , 为 地 面 海 拔 高 度 ， k in . 第三段为地面以上1 k m至 海拔91m 大气层: N ( h ) = N , - e x - C ( h - h , 一 1 ) ( h + 1 h 9 ) ( 8
10、) 式 中q为 海 拔9 k m 高 度 以 上 大 气 层的 指 数 衰 减 系 数， k m 一 ， 。 经 过 对 中 国 1 0 0 多 个 大 气 探 空 站 五 年 的 探 空 资 料 统 计， 全 国 范 围内C , N 9 , C 9 的 年 平 均值及标准偏差由表2 给出。 表2 . 全 国 大 气 模 式系 数 年平 均 值 及 标 准偏 差 一 一一 参数 平均值 标准偏差 C 0 . 1 5 2 8 0 . 0 0 6 1 N , 1 0 5 .6 0 . 了 C 9 0 . 1 4 3 4 0 .0 0 3 3 不 雨 巍 雨 疏 不 履现 近 地 面l k m 大
11、气 层 的 折 射 率 垂 直 梯 度 酬: 与 地 面 折 射 率 N 、 有 如 F 很好的相互 关系 ( 相关系数r = 0 .9 7 2 ) 0 O N , = - 8 . 7 7 3 e x p ( 0 . 0 0 4 9 5 6 N , ) ( 9 ) 3 .电波折射误差预报模式 电 波 在 低 空 人 气 传 播 时 射 线 轨 迹见 图1 。 在 对 流 层 中 ， 无 线电 波 的 折 射 误差 为 m . AR(8)二 、 n csc， 一 (一 )一)JcscOdh- RoJ (100 式中 R ( B ) 为仰角为B 时电波折射距离误 差， 仰 角 ， d e g ;
12、R 0 为 日 标 到 测 站 的 真 实 距离 ， k m ; k m ;气为目 标离地高 度， k m ; B 为电波射线 n为大气折射指数。 大 气折射指数n 与折射率N 的关系为: N二 ( n 一 1 ) x 1 0 6 ( 1 1 ) ( 1 0 ) 式中 的第一项由电波 传播速 度延 迟引起的电波 折射误差， 第二 项为电 波射线弯曲引起的电 波折射误差。 通 常前者比 后者人 得多1 5 / ，尤 其在3 0 J 上仰角，后者完全可以忽略。因此这 里我们假设电 波折射误差A R ( 9 ) 为 4 R (B ) 、 r (n 一 ，)。 、 ” 图 1 . 折射误差示意图 一
13、i N - 1 0 4 c s c O d h ( 12 ) 0 为了简化模式，上式可写为 A R ( e ) =O R - f ( e ) ( 1 3 ) 这 里A R 为 仰 角e = g o , 时 电 波 折 射 距 离 误 差 ( 垂 直 距 离 误 差 ) ; f ( e ) 为 与 仰角 成 函 数 的 距 离 误 差 因 子 。 根据大气分段模式，电波折射的 垂直距离误差O R 为 O R=A R , + A R , + O R 3 ( 1 4 ) 4 0 9 从表中 可见，用 本文提出的 预报模式与射线描迹法计算出的电波折 射误差A的 差随仰 角的增大逐渐 减小， 在3 度以
14、 上仰角时，两 种方 法误差小于 l m , 占总 误差量的2 .5 % ， 因此 在3 度以 上仰角 完全可用预报 模式代普射线描迹法。 G P S电 文中 采用的改正 模式与 射线描 迹法计算出的电 波折射误差A的差在高仰角时是可行的， 如在 2 0度以 上仰角， 两种方法 的 误差小于l m 。因 此在G 1 S 实际 应用中， 如果用 户站的 仰角较高，则可采 用G P S电 文中 提出的改正模式，如果用户站的 仰角较低， 则可采用本 文提出 的预报模式，当 然在商仰角 时采用本文提出的预报 模式 会更好。如 果有的 用户要求的 精度更高， 则浦要对针对此用户 所 在地区的 大气情况进
15、行统 计得到该地区的大气参 数，改正 模式中系数就可达到目 的。 今考文 嗽 1 .谢益 澳，电 波传摇一超1R 波、 徽波、毫米波，电子sA出 版杜， 1 9 9 0 , 1 0 . 2 .黄 捷， 无线电 侧速定 位的 对流层电 波传摇误差 修正 ， 电浪与 天经, 1 9 9 3 ( 3 一 4 ) , p p 1 0 一 2 二 3 . 江 长 荫 ， 低 仲 角 无 线 电 定 位 侧逮 的 大 气 层 电 浪 传 . 议 差 ， 电 浪 与 天 线 ， 1 9 8 2 年 ， 第1 期 ， P p l - 6 工 4 .张武皮 等， 对流层电波 折射修正 大气模式， 国防 科工委军标出 版发行部出版, 1 9 9 3 . 1 2 . 5 .张琦. 商彼， 低空 大气电 波时哭和考曲 对无线电 定位的影响， 电 子技术与 信息化 ， 1 9 9 6 . 3 . 张琦:1 9 6 3 年出生于河南沁阳，1 9 “年毕业于西 安电 子科技大学，高级工程师，在不同的刊物上发衰 论 文1 篇，获都、省、 市失多次.现主要从事电波 折射 误差修正和，达低仰角妞殊技术研究. 4 1 0
