05、卫星信号.ppt

第四章 电磁波的传播与GPS卫星信号
GPS定位的基本观测量是观测站（用户接收天线）至GPS卫星（信号放射天线）的距离（或称信号传播路径），它是通过测定卫星信号在该路径上的传播时间（时间延迟）或测定卫星载波信号相位在该路径上的变更（mbar），Tk为确定温度（Tk=0C+）,e0为水汽分压（mbar）。沿天顶方向，对流层大气对电磁波传播路径的影响，可表示为
干重量引起的电磁波传播路径距离差主要与地面的大气压力和温度有关；湿重量引起的电磁波传播路径距离差主要与传播路径上的大气状况亲密相关。
由地球表面对上沿天顶方向的电磁波传播路径为
考虑干、湿重量的折射数，则有
S0为电磁波在真空中的传播路径，Hd为当Nd趋近于0时的高程值（约40km）， Hw为当Nw趋近于0时的高程值（约10km）.
于是沿天顶方向电磁波传播路径的距离差为
在卫星大地测量中，不行能沿电磁波传播路途干脆测定对流层的折射数，一般可以依据地面的气象数据来描述折射数与高程的关系。
依据理论分析，折射数的干重量与高程H的关系为
Nd0为按前（A）式计算的地面大气折射数的干重量，对于参数 Hd，H. Hopfield通过分析全球高空气象探测资料，举荐了如下阅历公式。
由于大气湿度随地理纬度、季节和大气状况而变更，尚难以建立折射数湿重量的理论模型，一般接受与干重量相像的表示方法
式中Nw0为按（A）式计算的地面大气折射数的湿重量，高程的平均值取为Hw=11000m
积分可得沿天顶方向对流层对电磁波传播路径影响的近似关系：
数字分析表明，在大气的正常状态下，沿天顶方向，，约占天顶方向距离总误差的90%，湿重量的影响远较干重量影响小。
实际观测时，观测站接收的卫星信号往往不是来自天顶，此时在考虑对流层影响时必需顾及电磁波传播方向的高度角。
假设GPS卫星相对观测站的高度角为hs，可得
实践表明，上式中含有较大的模型误差，当hs大于100时，。很多学者先后举荐了改正模型，比较精确的一种形式如下，其中HT为观测站的高程，单位m。
目前接受的各种对流层模型，即使应用实时测量的气象资料，电磁波的传播路径，经过对流层折射改正后的残差，仍保持在对流层影响的5%左右。
减弱对流层折射改正项残差影响主要措施：
尽可能充分地驾驭观测站四周地区的实时气象资料。
利用水汽辐射计，精确地测定电磁波传播路径上的水汽积累量，以便精确的计算大气湿重量的改正项。但设备浩大价格昂贵，一般难以普遍接受。
当基线较短时（20km），在稳定的大气条件下，利用相对定位的差分法来减弱大气折射的影响。
完善对流层大气折射的改正模型。

在电离层中，由于太阳和其它天体的猛烈辐射，大部分气体分子被电离，产生了密度很高的自由电子，在离子化的大气中，单一频率正弦波相折射率的弥散公式：
式中et为电荷量，me为电荷质量，Ne为电子密度，0为真空介质常数。当取常数值et=10-19，me= 10-31，0= 10-12，并略去二次微小项，可得：
依据群折射率与相折射率的关系，可得
可见，在电离层中，相折射率和群折射率是不同的，GPS定位中，对于码相位测量和载波相位测量的修正量，应接受群折射率和相折射率分别计算。当电磁波沿天顶方向通过电离层时，由于折射率的变更而引起的传播路径距离差和相位延迟，一般可写为：
由相折射率和群折射率引起的路径传播误差(m)和时间延迟(ns)分别为
在电离层中产生的各种延迟量，对确定的电磁波频率，只有电子密度是唯一的独立变量。
实际资料分析表明，电离层的电子密度，白天约为夜间的5倍，一年中冬季与夏季相差4倍，太阳活动高峰期约为低峰期的4倍。电离层电子密度的大致变更范围在109-31012电子数/m3。沿天顶方向电子密度总量，日间为51017电子数/m2，夜间为51016电子数/m2。此外，电子密度在不同高度、不同时间都有明显差别。
当电磁波的传播方向偏离天顶方向时，电子总量会明显增加，在倾角为hs方向上，电子总数Nh有如下近似：
电离层对不频率电磁波沿天顶方向传播路径的影响如下
单频
400MHz
1600MHz
2000MHz
8000MHz
平均
50m
3m
2m

90%小于
250m
15m
10m

最大
500m
30m
20m

由于影响电离层电子密度的因素困难（时间、高度、太阳辐射及黑子活动、季节和地区等），难以牢靠地确定观测时刻沿电磁波