对流层折射(Tropospheric Refraction)

时间:2015-03-24     点击:加载中   【打印此页】  【关闭

  对流层(Troposphere)一般是指地面以上40km 范围内的大气层,它占整个大气层质量的99%。对流层主要包括氮(约78.03%)、氧(约20.99%)、水蒸气、二氧化碳、氨、惰性气体硫化物和尘埃等。对流层由很强的对流作用,风、雨、雪、雾等天气现象都出现在这一层中。因此对流层中的水滴、冰晶和尘埃等成分的含量,随着季节交替、地理纬度和空间位置的不同而变化,它们对电磁波的传播都有较大影响。

  对流层对电磁波传播的折射效应,这种影响称为对流层延迟(Tropospheric Delay)。在GPS 定位中,对流层延迟一般用来泛指非弥散介质对电磁波的折射。对流层和平流层中虽含有少量带电离子,但对于频率小于15GHz 的电磁波而言,可以认为是非弥散介质。由此,对流层延迟包括对流层和平流层(地面以上50km)共同的影响,但由于折射的80%以上发生在对流层,所以统一称为对流层延迟。在对流层延迟的影响下,卫星位于天顶方向(高度角90°)时,大约产生2.3m 的误差;高度角5°时,大约有25m 的误差。这种影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关,是精密GPS 定位中必须要考虑的误差项。

  对流层折射的影响主要是使电磁波传播路径与几何距离相异,因而也叫过剩路径长度(Excess Path Length)。假设大气折射引起的过剩路径长度为Dtrop,则它就等于测距信号光学路径长度L 与几何距离R 之差,可表示为:

  式中,s 为光学传播路径;n(s)为折射率,它是s 的函数。

  实际计算中,常把过剩路径长度Dtrop 表示为天顶方向上对流层折射分量Dz 与映射函数M(E)的乘积,其中M(E)是卫星高度角(Satellite Elevation)E 的函数。

  对流层延迟的90%由干燥气体引起,称为干分量;其余10%由水汽引起,称为湿分量。于是,(4-12)式可进一步表示为:

  式中,Dz,dry、Dz,wet 为分别表示对流层延迟天顶方向上的干、湿分量;Mdry(E)、Mwet(E)为分别表示干、湿分量映射函数。

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