[科普中国]-电磁传播[时延]改正

电磁波传播是在大气介质中，在到达地面接收机前要穿过性质、状态各异且不稳定的若干大气层，这些因素可能改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。大气折射对GPS观测结果的影响，往往超过了GPS精密定位所容许的精度范围。在数据处理过程中通过模型加以改正，或在观测中通过适当的方法来减弱，以提高定位精度。

简介实际的电磁波传播是在大气介质中，在到达地面接收机前要穿过性质、状态各异且不稳定的若干大气层，这些因素可能改变电磁波传播的方向、速度和强度，这种现象称为大气折射。大气折射对GPS观测结果的影响，往往超过了GPS精密定位所容许的精度范围。在数据处理过程中通过模型加以改正，或在观测中通过适当的方法来减弱，以提高定位精度，已经成为广大用户普遍关注的重要问题。

根据大气物理学，如果电磁波在某种介质中的传播速度与频率有关，则该介质称为弥散介质。介质的弥散现象是由于传播介质的内电场和入射波的外电场之间的电磁转换效应而产生的。当介质的原子频率与入射波的频率接近一致时，将发生共振，由此而影响电磁波的传播速度。1

影响因素大气在垂直方向上的物理性质差异也很大，根据温度、成分和荷电等物理性质的不同，大气可分为性质各异的若干大气层。按不同标准有不同的分层方法，根据对电磁波传播的不同影响，一般分为对流层和电离层。

对流层(troposphere)是指从地面向上约40km范围内的大气底层，占整个大气质量的99%。对流层与地面接触，从地面得到辐射热能，温度随高度的上升而降低，平均每升高1km降低6.5℃，而在水平方向（南北方向）上，温差每100km 一般不超过1℃。对流层虽仅有少量带电离子，但却具有很强的对流作用，云、雾、雨、雪、风等主要天气现象均出现其中。该层大气中除了含有各种气体元素外，还含水滴、冰晶和尘埃等杂质，对电磁波的传播有很大影响。

电离层(ionosphere) 分布于地球大气层的顶部，约在地面向上70km以上范围。由于原子氧吸收了太阳紫外线的能量，该大气层的温度随高度上升而迅速升高，同时由于太阳和其它天体的各种射线作用，使大部分大气分子发生电离，具有密度较高的带电粒子。电离层中电子的密度决定于太阳辐射强度和大气密度，因而导致电离层的电子密度不仅随高度而异，而且与太阳黑子的活动密切相关。电磁波在电离层中的传播速度与频率相关，电离层属于弥散性介质。

改正对流层改正假设GPS卫星相对观测站的高度角为hs，可得

实践表明，上式中含有较大的模型误差，当hs大于100时，改正量的估算误差可达0.5m。许多学者先后推荐了改正模型，比较精确的一种形式如下，其中HT为观测站的高程，单位m。

目前采用的各种对流层模型，即使应用实时测量的气象资料，电磁波的传播路径，经过对流层折射改正后的残差，仍保持在对流层影响的5%左右。2

电离层改正在电离层中，相折射率和群折射率是不同的，GPS定位中，对于码相位测量和载波相位测量的修正量，应采用群折射率和相折射率分别计算。当电磁波沿天顶方向通过电离层时，由于折射率的变化而引起的传播路径距离差和相位延迟，一般可写为：

由相折射率和群折射率引起的路径传播误差(m)和时间延迟(ns)分别为

在电离层中产生的各种延迟量，对确定的电磁波频率，只有电子密度是唯一的独立变量。

由于影响电离层电子密度的因素复杂（时间、高度、太阳辐射及黑子活动、季节和地区等），难以可靠地确定观测时刻沿电磁波传播路线的电子总量。对GPS单频接收用户，一般均利用电离层模型来近似计算改正量，但目前有效性不会优于75%。即当电离层的延迟为50m，经过模型改正后，仍含有约12.5m的残差。

对应措施减弱对流层折射改正项残差影响主要措施：

尽可能充分地掌握观测站周围地区的实时气象资料。

利用水汽辐射计，准确地测定电磁波传播路径上的水汽积累量，以便精确的计算大气湿分量的改正项。但设备庞大价格昂贵，一般难以普遍采用。

当基线较短时（20km），在稳定的大气条件下，利用相对定位的差分法来减弱大气折射的影响。

完善对流层大气折射的改正模型。

减弱电离层的影响，比较有效的措施为：

两观测站同步观测量求差：用两台接收机在基线的两端进行同步观测，取其观测量之差。因为当两观测站相距不太远时，卫星至两观测站电磁波传播路径上的大气状况相似，大气状况的系统影响可通过同步观测量的差分而减弱。该方法对小于20km的短基线效果尤为明显，经过电离层折射改正后，基线长度的相对残差约为10-6。故在短基线相对定位中，即使使用单频接收机也能达到相当高精度。但随着基线长度的增加，精度将明显降低。

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学