摘要：目前,GPS全球定位系統(tǒng)在各方面的用途越來越廣，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：
　　近年來全球定位系統(tǒng)（GPS）在我國顯示出了越來越廣泛的用途。GPS應(yīng)用是一項(xiàng)滲透力很強(qiáng)的技術(shù)，在為測繪、地質(zhì)地礦勘探、交通、航海等應(yīng)用領(lǐng)域帶來了可觀經(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國防和國民經(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)測量出電磁波射線經(jīng)過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)行測量得到的。但是，由于常用探空儀只能測量出大氣折射率隨高度的變化，而無法測量出大氣折射率的水平變化，且每一次探空測量一般需要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。
　　用微波遙感方法測量大氣輻射亮溫再從輻射信息中得到電磁波的折射誤差量，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)過路徑上進(jìn)行大氣遙感測量，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。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)的傳播路徑上測量大氣輻射亮溫來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)測量結(jié)果。輻射計(jì)測量與探空測量同時(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)遙感測量參數(shù)來進(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):
　　[1]謝益溪等電波傳播一超短波、微波、毫米波,北京市萬壽路電子工業(yè)出版社,1990,10。
　　[2]張瑜,高霞低空大氣電波時(shí)延的彎曲對(duì)無線電定位的影響。電子技術(shù)與信息化1996(3)。