1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组GPS原理及其应用原理及其应用GPS原理及其应用原理及其应用2/21第四章第四章 GPS定位中的误差源定位中的误差源4.6 对流层延迟对流层延迟GPS原理及其应用原理及其应用3/21对流层（对流层（Troposphere）GPS原理及其应用原理及其应用4/21对流层延迟对流层延迟00( 1) (1)1 (1)1 (1)(1)(1)1(1=( 1)1kkttttktttskkkcvnnrefractiveindex of atmosphereccvdtdtdtcndtnncndtcdtc ndtctndsxxx
2、 称为大气折射系数（）设为信号传播的真实距离，则当时，有故：称66(1)(1)(1)V1010sstrospndsndsNnatmospheric refractivitySN sSd ：为对流层延迟，为对流层改正。通常令：，称其为大气折射指数（）则GPS原理及其应用原理及其应用5/21对流层的色散效应对流层的色散效应 对流层的色散效应对流层的色散效应 折射指数与信号波长的关系折射指数与信号波长的关系 对流层对不同波长的波的折射效应对流层对不同波长的波的折射效应 结论结论 对于对于GPS卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应62410287.6
3、044.88640.068N波长微米N*10e6红光0.72290.7966紫光0.40298.3153L11902936.728287.6040L22442102.134287.6040GPS原理及其应用原理及其应用6/21大气折射率大气折射率N与气象元素的关系与气象元素的关系 大气折射率大气折射率N与温度、气压和湿度的关系与温度、气压和湿度的关系 Smith和和Weintranb，1954 对流层延迟与大气折射率对流层延迟与大气折射率N277.677.6 4810dwdwPeNNNTTNNPhPaTKehPa其中：称为干气分量；称为湿气分量；为大气压，单位；为气温，为绝对温度，单位 ；为水
4、气压，单位。swsdsdsNdsNNdss666101010GPS原理及其应用原理及其应用7/21霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型 出发点出发点(9-26) 导出折射率与高度的关系导出折射率与高度的关系 沿高度进行积分，导出垂直方向上的延迟沿高度进行积分，导出垂直方向上的延迟 通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延迟通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延迟o446.8() ()() ()40136 148.72273.1611000dwdwdswsdswsdswdTdPdeggPVRTdhdhdhhhhhNNNNNhhhhshTh /km；其中：含下标 的量表示
5、为测站上的值；（）GPS原理及其应用原理及其应用8/21霍普菲尔德（霍普菲尔德（Hopfield）改正模型）改正模型 对流层折射模型对流层折射模型 使用时注意各参使用时注意各参量的单位量的单位 高度角高度角10时，时，对投影函数的近对投影函数的近似处理带来的误似处理带来的误差差5cm21 221 221 221 277211=,sin(6.25)sin(2.25)=sin(6.25)sin(2.25)155.2 10()4810155.2 10()40136148.72273.1611000dwddwwdwdwsddsswswssdswsssm Km KmmEEKKsEEPKhhTKehhTh
6、Th 其其中中即即（）GPS原理及其应用原理及其应用9/21萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型）改正模型 原始模型原始模型有关，可查表获得。和与有关，可查表获得；与其中：sssssssshERhBhhWRhWEtgBeTPEs00028. 02cos0026. 01),(),()05. 01255(sin002277. 02GPS原理及其应用原理及其应用10/21萨斯塔莫宁（萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型）改正模型 拟合后的公式拟合后的公式283210716. 01015. 016. 1)4810(16)05. 01255(sin002277. 0sss
7、ssssshhactgEeTPTEEEEEtgaeTPEs其中：GPS原理及其应用原理及其应用11/21勃兰克（勃兰克（Black）改正模型）改正模型20. 0)69. 3(002312. 013000)96. 3(98.148)6 . 0(92. 1)273(00015. 0076. 0833. 0)()1 (1cos(1)()1 (1cos(1123 . 002020wsssdwsdEswwsddKTPTKhThEbTlEbhhlEKEbhhlEKs其中：GPS原理及其应用原理及其应用12/21不同对流层改正模型的比较不同对流层改正模型的比较 不同模型所算出的天顶方向的对流层延迟符不同模型
8、所算出的天顶方向的对流层延迟符合很好，差异在合很好，差异在mm级；级； 由于所使用的投影函数不同，卫星高度角较由于所使用的投影函数不同，卫星高度角较小时，不同模型间差异渐增；小时，不同模型间差异渐增； 在高山地区，不同模型求得的天顶方向的对在高山地区，不同模型求得的天顶方向的对流层延迟差异较大，建议采用流层延迟差异较大，建议采用SAAS模型模型GPS原理及其应用原理及其应用13/21气象元素的测定气象元素的测定 气象元素气象元素 干温、湿温、气压干温、湿温、气压 干温、相对湿度、气压干温、相对湿度、气压 测定方法测定方法 量测仪器量测仪器 普通仪器：通风干湿温度表、普通仪器：通风干湿温度表、空
9、盒气压计空盒气压计 自动化的电子仪器自动化的电子仪器 量测地点量测地点 在在GPS接收天线相位中心附接收天线相位中心附近量测近量测GPS原理及其应用原理及其应用14/21气象元素的测定气象元素的测定 水气压水气压es的计算方法的计算方法 由相对湿度由相对湿度RH计算计算 由干温、湿温和气压计算由干温、湿温和气压计算)000256908. 0213166. 02465.37(2sTsTeRHessPwTsTwTweseWTgWTgWTgwTgwTgeTeww)()31068. 11 (4105 . 4)(3)(2)(1)()(02808. 5)16.373(246.10131)16.3731 (
10、1205.26) 116.373(03945. 87321101813. 3)()1 (0187265. 0)() 116.373(19728.18)(wTwTeTgeTgTTgwwwwGPS原理及其应用原理及其应用15/21对流层模型改正的误差分析对流层模型改正的误差分析 模型误差模型误差 模型本身的误差模型本身的误差 气象元素误差气象元素误差 气象元素量测误差气象元素量测误差 仪器误差仪器误差 读数误差读数误差 测站气象元素的代表性误差测站气象元素的代表性误差 这类误差可能远大于量测误差这类误差可能远大于量测误差 当测站附近的小环境与周围大环境有明显差别时，应在与周围当测站附近的小环境与周
11、围大环境有明显差别时，应在与周围大环境一致的地方量测气象元素，再根据量测地点与测站的高大环境一致的地方量测气象元素，再根据量测地点与测站的高差，归算到测站上差，归算到测站上 实际大气状态与大气模型间的差异实际大气状态与大气模型间的差异GPS原理及其应用原理及其应用16/21对流层延迟对定位结果的影响对流层延迟对定位结果的影响 气象元素误差对气象元素误差对ZTD的影响（表的影响（表4-10） ZTD对单点定位的影响对单点定位的影响 主要影响测站的高程，对平面位置影响很小主要影响测站的高程，对平面位置影响很小 ZTD对相对定位的影响对相对定位的影响 起算点上空起算点上空ZTD的绝对值将影响基线的尺
12、度比的绝对值将影响基线的尺度比 待定点与起算点之间的天顶对流层相对延迟误待定点与起算点之间的天顶对流层相对延迟误差将影响基线的垂直分量差将影响基线的垂直分量 1mm的相对的相对ZTD误差引起的基线垂直分量误差达误差引起的基线垂直分量误差达3.2mmGPS原理及其应用原理及其应用17/21利用标准气象元素法进行对流层延迟改正利用标准气象元素法进行对流层延迟改正 问题的提出问题的提出 要求实测测站的气象元素，这对一般精度要求的要求实测测站的气象元素，这对一般精度要求的GPS用用户而言带来不便户而言带来不便 方法方法 依据海平面上的标准气象元素推求高程为依据海平面上的标准气象元素推求高程为h的测站气
13、象的测站气象元素元素 标准气象元素标准气象元素 外推公式（式外推公式（式4-97） 可行性可行性 系统的气象误差会使各同步测站产生相同系统的气象误差会使各同步测站产生相同ZTD误差，进误差，进而引起的基线尺度误差对于一般而引起的基线尺度误差对于一般GPS用户而言可接受；用户而言可接受； 只适用于较小的平坦地带的测区只适用于较小的平坦地带的测区o00020,1013.2550%tC PhPaRH，GPS原理及其应用原理及其应用18/21高精度高精度GPS测量中的对流层延迟改正方法测量中的对流层延迟改正方法 将对流层延迟当作待定参数将对流层延迟当作待定参数 每站，每时段引入一个每站，每时段引入一个
14、ZTD 将一个时段分为多个区间，各区间引入一将一个时段分为多个区间，各区间引入一ZTD 用线性函数拟合整个时段中的用线性函数拟合整个时段中的ZTD变化变化 采用随机模型采用随机模型GPS原理及其应用原理及其应用19/21投影函数（投影函数（Mapping Function） 研究重点研究重点 通过提高投影函数的精度改进对流层延迟改正通过提高投影函数的精度改进对流层延迟改正效果效果 投影函数分类投影函数分类 利用以前的观测资料建立的经验模型利用以前的观测资料建立的经验模型 NMF，GMF等等 需实测气象资料的模型需实测气象资料的模型 VMF1等等GPS原理及其应用原理及其应用20/21NMF模型模型 Neill利用全球利用全球26个探空站的观测资料建立的个探空站的观测资料建立的全球模型全球模型 形式形式 干分量投影函数干分量投影函数 （式（式4-103） 湿分量投影函数湿分量投影函数 （式（式4-107）dmwmGPS原理及其应用原理及其应用21/21思考题思考题 GPS信号受到的对流层延迟与电离层延迟在信号受到的对流层延迟与电离层延迟在改正方法上有何区别？改正方法上有何区别？
