GPS实时定位精度的方法探析

　　摘要：目前,GPS全球定位系统在各方面的用途越来越广，但是由于大气介质的变化使得电磁波传播速度减慢，射线发生弯曲，从而产生折射误差。因此要提高GPS的定位导航精度，就必须进行电磁波折射误差修正。本文提出了利用地面气象参数和微波遥感测量进行实时电磁波折射误差修正方法，从而进一步提高GPS的导航定位精度。
　　关键词：GPS，微波遥感，电磁波折射
　　引言：
　　近年来全球定位系统（GPS）在我国显示出了越来越广泛的用途。GPS应用是一项渗透力很强的技术，在为测绘、地质地矿勘探、交通、航海等应用领域带来了可观经济效益和社会效益的同时，它还将牵引接收机制造业、通信设备制造业、地理信息产品行业的发展，成为信息产业新的经济增长点。因此，合理地应用GPS系统并尽可能地提高其定位精度可以为我国国防和国民经济提供更广的服务。
　　我们知道，大气是不均匀介质，当电磁波在大气中传播时，大气介质会使得电磁波产生折射效应，以致传播速度小于光速，传播路径产生弯曲，最终使得在无线电导航定位时产生误差，因此提高GPS定位精度的途径之一是要进行电磁波折射误差的修正。
　　众所周知，引起电磁波折射效应的主要因素是随空间和时间不停变化的大气折射率，因此要进行高精度的电磁波折射误差修正必须实时测量出电磁波射线经过路径上的大气折射率。在目前常用的电磁波折射误差修正方法中，其大气结构是由探空仪进行测量得到的。但是，由于常用探空仪只能测量出大气折射率随高度的变化，而无法测量出大气折射率的水平变化，且每一次探空测量一般需要30分钟左右的时间，从而使空中大气随时间的变化一般不能精确得到。这样，就无法获得精确的大气结构，从而限制了实时电磁波折射误差修正精度的提高。
　　用微波遥感方法测量大气辐射亮温再从辐射信息中得到电磁波的折射误差量，从而进行电磁波折射误差修正的方法是提高实时电磁波折射误差修正的有效方法。此方法的主要优点是：（1）直接在电磁波射线经过路径上进行大气遥感测量，不需要大气水平均匀的假设，即遥感信息中包含了大气的垂直和水平变化情况；（2）能够进行实时测量，可克服大气的时变误差；（3）具有全天候性能，可在任何天气情况下进行测量。
　　本文主要介绍了用地面气象参数和微波遥感技术来进行GPS实时电磁波折射误差修正的方法，并进行了精度检验。
　　2、实时电磁波折射误差修正
　　电磁波在低层大气中传播时产生的折射误差为:
　　
　　式中:△R为电磁波折射误差，km；h1为目标离地高度，km；θ为电磁波射线仰角，deg;Rν为目标到测站的真实距离，km；n为大气折射指数。
　　大气折射指数n与折射率N的关系为：N=（n-1）x106
　　(1)式中的第一项由电磁波传播速度延迟引起的电磁波折射误差，第二项为电磁波射线弯曲引起的电磁波折射误差。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定位中仰角一般都较大，因此这里可认为电磁波折射误差△R近似为：
　　
　　从大气物理学可知，大气折射率由其干项Nd和湿项Nω组成,即:
　　
　　其中，Nd为在气折射率干项，Nω为大气折射率湿项,P为大气压强，hPa；T为大气湿度，K；Pυ为水气密度，g/m3。
　　则(3)式可写成:
　　
　　根据大气物理和结构剖面的理论研究及实际测量得出，干项Nd剖面有规律且较稳定，因此(7)式中折射率干项Nd和积分可由GPS接收站所在地面气象参数比较准确地估算出来。而折射率湿项Nω剖面不规则且不稳定，其随时间和空间的多变性就不能简单地由地面气象参数而准确的计算。但根据大气辐射传输理论，大气辐射亮度温度与大气结构密切相关，因此就可以选择对大气中水汽含量敏感的微波辐射计，直接在雷达到目标的传播路径上测量大气辐射亮温来修正大气折射误差湿项部分。由于微波辐射计是直接在电磁波传播路径上取得大气折射修正信息样品的，不受大气水平不均匀性和时变特性的影响，因此可以提高修正精度，并且可进行实时计算。用微波辐射计测量参数进行电磁波距离折射误差修正的残差可以比以常规气象探空仪数据为基础的公式修正法降低1/3～2/3。
　　从理论分析和大量的实际测量可知，大气在十几公里高度以上已经很稀薄，因此折射率湿项Nω在十几公里高度上很小，它引起的电磁波折射误差很小，完全可以忽略不计,这样就可以用辐射计测量得到的大气折射率湿项Nu引起的距离误差△Ru代替△Rugps。最后用提供的计算大气折射率干项Nd引起的距离误差△Rd和辐射计测量得到的大气折射率湿项Nω引起的距离误差△Rω求得GPS定位中总的大气折射误差，从而可进行高精度实时电磁波折射误差修正。
　　3、精度检验
　　为了检验GPS定位中实时电磁波折射误差修正方法的精度，选用广东地区在2011年的探空数据和单频辐射计测量结果。辐射计测量与探空测量同时进行，单频辐射计的中心工作频率为23.75GHz，天线采用口径为1.5m的卡塞格伦天线，辐射计接收机输出与输人线性相关，相关系数为0.999。系统定标采用常温黑体负载和浸人液氮中的黑体负载在天线馈源口面进行两点定标，接收机的灵敏度优于0.3k。用探空资料采用射线描迹法川进行电磁波折射误差计算，这种计算是目前认可精度较高的方法。然后用本文提出的方法进行电磁波折射误差计算，从而比较两者的结果，见表1。△R1为由探测数据计算的距离误差，△R2为由本文提出的计算方法得到的距离误差，△为两种计算值的差，T为地面温度,K,P为地面气压，hPu,u为地面相对湿度%.
　　表1电磁波折射误差的精度检验（m）
　　
　　由上表可见,采用由地面气象数据和用微波辐射计遥感测量参数来进行GPS定位中的电磁波折射误差修正的精度是较高的。由于地面气象参数可以较精确地实时得到，微波辐射计也可实时进行测量，这样就可对GPS进行实时电磁波折射误差修正，从而提高GPS的定位精度。
　　参考文献:
　　[1]谢益溪等电波传播一超短波、微波、毫米波,北京市万寿路电子工业出版社,1990,10。
　　[2]张瑜,高霞低空大气电波时延的弯曲对无线电定位的影响。电子技术与信息化1996(3)。