電磁傳播[時延]改正

電磁波傳播是在大氣介質中，在到達地面接收機前要穿過性質、狀態各異且不穩定的若干大氣層，這些因素可能改變電磁波傳播的方向、速度和強度，這種現象稱為大氣折射。大氣折射對GPS觀測結果的影響，往往超過了GPS精密定位所容許的精度範圍。在數據處理過程中通過模型加以改正，或在觀測中通過適當的方法來減弱，以提高定位精度。

基本介紹

• 中文名：電磁傳播[時延]改正
• 外文名：Electromagnetic propagation correction
• 領域：測繪科學與技術
• 包括：電離層改正等
• 減弱：減少電離層影響等
• 性質：物理性質

簡介

實際的電磁波傳播是在大氣介質中，在到達地面接收機前要穿過性質、狀態各異且不穩定的若干大氣層，這些因素可能改變電磁波傳播的方向、速度和強度，這種現象稱為大氣折射。大氣折射對GPS觀測結果的影響，往往超過了GPS精密定位所容許的精度範圍。在數據處理過程中通過模型加以改正，或在觀測中通過適當的方法來減弱，以提高定位精度，已經成為廣大用戶普遍關注的重要問題。

根據大氣物理學，如果電磁波在某種介質中的傳播速度與頻率有關，則該介質稱為彌散介質。介質的彌散現象是由於傳播介質的內電場和入射波的外電場之間的電磁轉換效應而產生的。當介質的原子頻率與入射波的頻率接近一致時，將發生共振，由此而影響電磁波的傳播速度。

影響因素

大氣在垂直方向上的物理性質差異也很大，根據溫度、成分和荷電等物理性質的不同，大氣可分為性質各異的若干大氣層。按不同標準有不同的分層方法，根據對電磁波傳播的不同影響，一般分為對流層和電離層。

對流層(troposphere)是指從地面向上約40km範圍內的大氣底層，占整個大氣質量的99%。對流層與地面接觸，從地面得到輻射熱能，溫度隨高度的上升而降低，平均每升高1km降低6.5℃，而在水平方向（南北方向）上，溫差每100km 一般不超過1℃。對流層雖僅有少量帶電離子，但卻具有很強的對流作用，雲、霧、雨、雪、風等主要天氣現象均出現其中。該層大氣中除了含有各種氣體元素外，還含水滴、冰晶和塵埃等雜質，對電磁波的傳播有很大影響。

電離層(ionosphere) 分布於地球大氣層的頂部，約在地面向上70km以上範圍。由於原子氧吸收了太陽紫外線的能量，該大氣層的溫度隨高度上升而迅速升高，同時由於太陽和其它天體的各種射線作用，使大部分大氣分子發生電離，具有密度較高的帶電粒子。電離層中電子的密度決定於太陽輻射強度和大氣密度，因而導致電離層的電子密度不僅隨高度而異，而且與太陽黑子的活動密切相關。電磁波在電離層中的傳播速度與頻率相關，電離層屬於彌散性介質。

改正

對流層改正

假設GPS衛星相對觀測站的高度角為h_s，可得

公式

實踐表明，上式中含有較大的模型誤差，當hs大於100時，改正量的估算誤差可達0.5m。許多學者先後推薦了改正模型，比較精確的一種形式如下，其中HT為觀測站的高程，單位m。

公式

目前採用的各種對流層模型，即使套用實時測量的氣象資料，電磁波的傳播路徑，經過對流層折射改正後的殘差，仍保持在對流層影響的5%左右。

電離層改正

在電離層中，相折射率和群折射率是不同的，GPS定位中，對於碼相位測量和載波相位測量的修正量，應採用群折射率和相折射率分別計算。當電磁波沿天頂方向通過電離層時，由於折射率的變化而引起的傳播路徑距離差和相位延遲，一般可寫為：

公式

由相折射率和群折射率引起的路徑傳播誤差(m)和時間延遲(ns)分別為

公式

在電離層中產生的各種延遲量，對確定的電磁波頻率，只有電子密度是唯一的獨立變數。

由於影響電離層電子密度的因素複雜（時間、高度、太陽輻射及黑子活動、季節和地區等），難以可靠地確定觀測時刻沿電磁波傳播路線的電子總量。對GPS單頻接收用戶，一般均利用電離層模型來近似計算改正量，但目前有效性不會優於75%。即當電離層的延遲為50m，經過模型改正後，仍含有約12.5m的殘差。

對應措施

減弱對流層折射改正項殘差影響主要措施：

1. 儘可能充分地掌握觀測站周圍地區的實時氣象資料。
   
2. 利用水汽輻射計，準確地測定電磁波傳播路徑上的水汽積累量，以便精確的計算大氣濕分量的改正項。但設備龐大價格昂貴，一般難以普遍採用。
   
3. 當基線較短時（20km），在穩定的大氣條件下，利用相對定位的差分法來減弱大氣折射的影響。
   
4. 完善對流層大氣折射的改正模型。
   

減弱電離層的影響，比較有效的措施為：

兩觀測站同步觀測量求差：用兩台接收機在基線的兩端進行同步觀測，取其觀測量之差。因為當兩觀測站相距不太遠時，衛星至兩觀測站電磁波傳播路徑上的大氣狀況相似，大氣狀況的系統影響可通過同步觀測量的差分而減弱。該方法對小於20km的短基線效果尤為明顯，經過電離層折射改正後，基線長度的相對殘差約為10^-6。故在短基線相對定位中，即使使用單頻接收機也能達到相當高精度。但隨著基線長度的增加，精度將明顯降低。