摘要：目前,GPS全球定位系統(tǒng)在各方面的用途越來(lái)越廣，但是由于大氣介質(zhì)的變化使得電磁波傳播速度減慢，射線發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)生折射誤差。因此要提高GPS的定位導(dǎo)航精度，就必須進(jìn)行電磁波折射誤差修正。本文提出了利用地面氣象參數(shù)和微波遙感測(cè)量進(jìn)行實(shí)時(shí)電磁波折射誤差修正方法，從而進(jìn)一步提高GPS的導(dǎo)航定位精度。
　　關(guān)鍵詞：GPS，微波遙感，電磁波折射
　　引言：
　　近年來(lái)全球定位系統(tǒng)（GPS）在我國(guó)顯示出了越來(lái)越廣泛的用途。GPS應(yīng)用是一項(xiàng)滲透力很強(qiáng)的技術(shù)，在為測(cè)繪、地質(zhì)地礦勘探、交通、航海等應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)了可觀經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)，它還將牽引接收機(jī)制造業(yè)、通信設(shè)備制造業(yè)、地理信息產(chǎn)品行業(yè)的發(fā)展，成為信息產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。因此，合理地應(yīng)用GPS系統(tǒng)并盡可能地提高其定位精度可以為我國(guó)國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供更廣的服務(wù)。
　　我們知道，大氣是不均勻介質(zhì)，當(dāng)電磁波在大氣中傳播時(shí)，大氣介質(zhì)會(huì)使得電磁波產(chǎn)生折射效應(yīng)，以致傳播速度小于光速，傳播路徑產(chǎn)生彎曲，最終使得在無(wú)線電導(dǎo)航定位時(shí)產(chǎn)生誤差，因此提高GPS定位精度的途徑之一是要進(jìn)行電磁波折射誤差的修正。
　　眾所周知，引起電磁波折射效應(yīng)的主要因素是隨空間和時(shí)間不停變化的大氣折射率，因此要進(jìn)行高精度的電磁波折射誤差修正必須實(shí)時(shí)測(cè)量出電磁波射線經(jīng)過(guò)路徑上的大氣折射率。在目前常用的電磁波折射誤差修正方法中，其大氣結(jié)構(gòu)是由探空儀進(jìn)行測(cè)量得到的。但是，由于常用探空儀只能測(cè)量出大氣折射率隨高度的變化，而無(wú)法測(cè)量出大氣折射率的水平變化，且每一次探空測(cè)量一般需要30分鐘左右的時(shí)間，從而使空中大氣隨時(shí)間的變化一般不能精確得到。這樣，就無(wú)法獲得精確的大氣結(jié)構(gòu)，從而限制了實(shí)時(shí)電磁波折射誤差修正精度的提高。
　　用微波遙感方法測(cè)量大氣輻射亮溫再?gòu)妮椛湫畔⒅械玫诫姶挪ǖ恼凵湔`差量，從而進(jìn)行電磁波折射誤差修正的方法是提高實(shí)時(shí)電磁波折射誤差修正的有效方法。此方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）直接在電磁波射線經(jīng)過(guò)路徑上進(jìn)行大氣遙感測(cè)量，不需要大氣水平均勻的假設(shè)，即遙感信息中包含了大氣的垂直和水平變化情況；（2）能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，可克服大氣的時(shí)變誤差；（3）具有全天候性能，可在任何天氣情況下進(jìn)行測(cè)量。
　　本文主要介紹了用地面氣象參數(shù)和微波遙感技術(shù)來(lái)進(jìn)行GPS實(shí)時(shí)電磁波折射誤差修正的方法，并進(jìn)行了精度檢驗(yàn)。
　　2、實(shí)時(shí)電磁波折射誤差修正
　　電磁波在低層大氣中傳播時(shí)產(chǎn)生的折射誤差為:
　　
　　式中:△R為電磁波折射誤差，km；h1為目標(biāo)離地高度，km；θ為電磁波射線仰角，deg;Rν為目標(biāo)到測(cè)站的真實(shí)距離，km；n為大氣折射指數(shù)。
　　大氣折射指數(shù)n與折射率N的關(guān)系為：N=（n-1）x106
　　(1)式中的第一項(xiàng)由電磁波傳播速度延遲引起的電磁波折射誤差，第二項(xiàng)為電磁波射線彎曲引起的電磁波折射誤差。通常前者比后者大得多，尤其在3°以上仰角后者完全可以忽略。由于GPS定位中仰角一般都較大，因此這里可認(rèn)為電磁波折射誤差△R近似為：
　　
　　從大氣物理學(xué)可知，大氣折射率由其干項(xiàng)Nd和濕項(xiàng)Nω組成,即:
　　
　　其中，Nd為在氣折射率干項(xiàng)，Nω為大氣折射率濕項(xiàng),P為大氣壓強(qiáng)，hPa；T為大氣濕度，K；Pυ為水氣密度，g/m3。
　　則(3)式可寫成:
　　
　　根據(jù)大氣物理和結(jié)構(gòu)剖面的理論研究及實(shí)際測(cè)量得出，干項(xiàng)Nd剖面有規(guī)律且較穩(wěn)定，因此(7)式中折射率干項(xiàng)Nd和積分可由GPS接收站所在地面氣象參數(shù)比較準(zhǔn)確地估算出來(lái)。而折射率濕項(xiàng)Nω剖面不規(guī)則且不穩(wěn)定，其隨時(shí)間和空間的多變性就不能簡(jiǎn)單地由地面氣象參數(shù)而準(zhǔn)確的計(jì)算。但根據(jù)大氣輻射傳輸理論，大氣輻射亮度溫度與大氣結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此就可以選擇對(duì)大氣中水汽含量敏感的微波輻射計(jì)，直接在雷達(dá)到目標(biāo)的傳播路徑上測(cè)量大氣輻射亮溫來(lái)修正大氣折射誤差濕項(xiàng)部分。由于微波輻射計(jì)是直接在電磁波傳播路徑上取得大氣折射修正信息樣品的，不受大氣水平不均勻性和時(shí)變特性的影響，因此可以提高修正精度，并且可進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。用微波輻射計(jì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行電磁波距離折射誤差修正的殘差可以比以常規(guī)氣象探空儀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的公式修正法降低1/3～2/3。
　　從理論分析和大量的實(shí)際測(cè)量可知，大氣在十幾公里高度以上已經(jīng)很稀薄，因此折射率濕項(xiàng)Nω在十幾公里高度上很小，它引起的電磁波折射誤差很小，完全可以忽略不計(jì),這樣就可以用輻射計(jì)測(cè)量得到的大氣折射率濕項(xiàng)Nu引起的距離誤差△Ru代替△Rugps。最后用提供的計(jì)算大氣折射率干項(xiàng)Nd引起的距離誤差△Rd和輻射計(jì)測(cè)量得到的大氣折射率濕項(xiàng)Nω引起的距離誤差△Rω求得GPS定位中總的大氣折射誤差，從而可進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)電磁波折射誤差修正。
　　3、精度檢驗(yàn)
　　為了檢驗(yàn)GPS定位中實(shí)時(shí)電磁波折射誤差修正方法的精度，選用廣東地區(qū)在2011年的探空數(shù)據(jù)和單頻輻射計(jì)測(cè)量結(jié)果。輻射計(jì)測(cè)量與探空測(cè)量同時(shí)進(jìn)行，單頻輻射計(jì)的中心工作頻率為23.75GHz，天線采用口徑為1.5m的卡塞格倫天線，輻射計(jì)接收機(jī)輸出與輸人線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.999。系統(tǒng)定標(biāo)采用常溫黑體負(fù)載和浸人液氮中的黑體負(fù)載在天線饋源口面進(jìn)行兩點(diǎn)定標(biāo)，接收機(jī)的靈敏度優(yōu)于0.3k。用探空資料采用射線描跡法川進(jìn)行電磁波折射誤差計(jì)算，這種計(jì)算是目前認(rèn)可精度較高的方法。然后用本文提出的方法進(jìn)行電磁波折射誤差計(jì)算，從而比較兩者的結(jié)果，見表1。△R1為由探測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的距離誤差，△R2為由本文提出的計(jì)算方法得到的距離誤差，△為兩種計(jì)算值的差，T為地面溫度,K,P為地面氣壓，hPu,u為地面相對(duì)濕度%.
　　表1電磁波折射誤差的精度檢驗(yàn)（m）
　　
　　由上表可見,采用由地面氣象數(shù)據(jù)和用微波輻射計(jì)遙感測(cè)量參數(shù)來(lái)進(jìn)行GPS定位中的電磁波折射誤差修正的精度是較高的。由于地面氣象參數(shù)可以較精確地實(shí)時(shí)得到，微波輻射計(jì)也可實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)量，這樣就可對(duì)GPS進(jìn)行實(shí)時(shí)電磁波折射誤差修正，從而提高GPS的定位精度。
　　參考文獻(xiàn):
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