摘要：目前,GPS全球定位系統在各方面的用途越來越廣，但是由于大氣介質的變化使得電磁波傳播速度減慢，射線發生彎曲，從而產生折射誤差。因此要提高GPS的定位導航精度，就必須進行電磁波折射誤差修正。本文提出了利用地面氣象參數和微波遙感測量進行實時電磁波折射誤差修正方法，從而進一步提高GPS的導航定位精度。
　　關鍵詞：GPS，微波遙感，電磁波折射
　　引言：
　　近年來全球定位系統（GPS）在我國顯示出了越來越廣泛的用途。GPS應用是一項滲透力很強的技術，在為測繪、地質地礦勘探、交通、航海等應用領域帶來了可觀經濟效益和社會效益的同時，它還將牽引接收機制造業、通信設備制造業、地理信息產品行業的發展，成為信息產業新的經濟增長點。因此，合理地應用GPS系統并盡可能地提高其定位精度可以為我國國防和國民經濟提供更廣的服務。
　　我們知道，大氣是不均勻介質，當電磁波在大氣中傳播時，大氣介質會使得電磁波產生折射效應，以致傳播速度小于光速，傳播路徑產生彎曲，最終使得在無線電導航定位時產生誤差，因此提高GPS定位精度的途徑之一是要進行電磁波折射誤差的修正。
　　眾所周知，引起電磁波折射效應的主要因素是隨空間和時間不停變化的大氣折射率，因此要進行高精度的電磁波折射誤差修正必須實時測量出電磁波射線經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，其大氣結構是由探空儀進行測量得到的。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分鐘左右的時間，從而使空中大氣隨時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構，從而限制了實時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，從而進行電磁波折射誤差修正的方法是提高實時電磁波折射誤差修正的有效方法。此方法的主要優點是：（1）直接在電磁波射線經過路徑上進行大氣遙感測量，不需要大氣水平均勻的假設，即遙感信息中包含了大氣的垂直和水平變化情況；（2）能夠進行實時測量，可克服大氣的時變誤差；（3）具有全天候性能，可在任何天氣情況下進行測量。
　　本文主要介紹了用地面氣象參數和微波遙感技術來進行GPS實時電磁波折射誤差修正的方法，并進行了精度檢驗。
　　2、實時電磁波折射誤差修正
　　電磁波在低層大氣中傳播時產生的折射誤差為:
　　
　　式中:△R為電磁波折射誤差，km；h1為目標離地高度，km；θ為電磁波射線仰角，deg;Rν為目標到測站的真實距離，km；n為大氣折射指數。
　　大氣折射指數n與折射率N的關系為：N=（n-1）x106
　　(1)式中的第一項由電磁波傳播速度延遲引起的電磁波折射誤差，第二項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，因此這里可認為電磁波折射誤差△R近似為：
　　
　　從大氣物理學可知，大氣折射率由其干項Nd和濕項Nω組成,即:
　　
　　其中，Nd為在氣折射率干項，Nω為大氣折射率濕項,P為大氣壓強，hPa；T為大氣濕度，K；Pυ為水氣密度，g/m3。
　　則(3)式可寫成:
　　
　　根據大氣物理和結構剖面的理論研究及實際測量得出，干項Nd剖面有規律且較穩定，因此(7)式中折射率干項Nd和積分可由GPS接收站所在地面氣象參數比較準確地估算出來。而折射率濕項Nω剖面不規則且不穩定，其隨時間和空間的多變性就不能簡單地由地面氣象參數而準確的計算。但根據大氣輻射傳輸理論，大氣輻射亮度溫度與大氣結構密切相關，因此就可以選擇對大氣中水汽含量敏感的微波輻射計，直接在雷達到目標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部分。由于微波輻射計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變特性的影響，因此可以提高修正精度，并且可進行實時計算。用微波輻射計測量參數進行電磁波距離折射誤差修正的殘差可以比以常規氣象探空儀數據為基礎的公式修正法降低1/3～2/3。
　　從理論分析和大量的實際測量可知，大氣在十幾公里高度以上已經很稀薄，因此折射率濕項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,這樣就可以用輻射計測量得到的大氣折射率濕項Nu引起的距離誤差△Ru代替△Rugps。最后用提供的計算大氣折射率干項Nd引起的距離誤差△Rd和輻射計測量得到的大氣折射率濕項Nω引起的距離誤差△Rω求得GPS定位中總的大氣折射誤差，從而可進行高精度實時電磁波折射誤差修正。
　　3、精度檢驗
　　為了檢驗GPS定位中實時電磁波折射誤差修正方法的精度，選用廣東地區在2011年的探空數據和單頻輻射計測量結果。輻射計測量與探空測量同時進行，單頻輻射計的中心工作頻率為23.75GHz，天線采用口徑為1.5m的卡塞格倫天線，輻射計接收機輸出與輸人線性相關，相關系數為0.999。系統定標采用常溫黑體負載和浸人液氮中的黑體負載在天線饋源口面進行兩點定標，接收機的靈敏度優于0.3k。用探空資料采用射線描跡法川進行電磁波折射誤差計算，這種計算是目前認可精度較高的方法。然后用本文提出的方法進行電磁波折射誤差計算，從而比較兩者的結果，見表1。△R1為由探測數據計算的距離誤差，△R2為由本文提出的計算方法得到的距離誤差，△為兩種計算值的差，T為地面溫度,K,P為地面氣壓，hPu,u為地面相對濕度%.
　　表1電磁波折射誤差的精度檢驗（m）
　　
　　由上表可見,采用由地面氣象數據和用微波輻射計遙感測量參數來進行GPS定位中的電磁波折射誤差修正的精度是較高的。由于地面氣象參數可以較精確地實時得到，微波輻射計也可實時進行測量，這樣就可對GPS進行實時電磁波折射誤差修正，從而提高GPS的定位精度。
　　參考文獻:
　　[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出版社,1990,10。
　　[2]張瑜,高霞低空大氣電波時延的彎曲對無線電定位的影響。電子技術與信息化1996(3)。