GNSS测量技术解决卫星信号传播误差

距离地面约2万km的卫星发射的电磁波必须穿过电离层和对流层才能到达地面，又有折射系数不同，电磁波在电离层和对流层中间的传播情况不同于在真空中传播的情况。与卫星信号传播有关的误差包括: 卫星信号通过大气中的电离层、对流层时产生的误差，以及信号到达地面时产生反射信号所引起的多路径效应。

1. 电离层折射的影响

(1)电离层及其影响

电离层是指地球上空距地面高度在50～1000km的大气层。由于电离层中的气体分子吸收了太阳紫外线的的能量，因此，该大气层的温度随着高度的增加而迅速升高。同时，由于太阳和其他天体的各种射线作用，使该大气层的大气分子大部分发生电离，从而具有密度较高的带电粒子。该大气层对电磁波的传播属弥散性介质，也就是说，这时的电磁波的传播速度与频率有关。当GNSS信号通过电离层时，信号的传播路径会发生弯曲，使其传播速度发生变化，这种现象称为电离层折射。由此产生的距离差对测量的精度影响较大，必须采取有效措施削弱其影响。

测距码和载波通过电离层时的影响不同。

对于测距码观测，相应的传播路径延迟为:

对于载波相位观测，相应的传播路径延迟为:

式中，N∑为信号传播路径上的电子总量;

f为信号的频率。

由两式可知，信号在电离层中产生的的路径延迟取决于传播路径上的电子总量N∑和电磁波频率f。对于确定的频率f，电子总量N∑为唯一的变量。电离层电子密度，与太阳黑子活动强度最为密切相关，随着太阳及其他天体的辐射强度、季节、时间以及地理位置等因素的变化而发生变化。对于GNSS信号来说，白天正午前后，当卫星接近地平线时，电离层折射影响约为150m，在夜间，当卫星处于天顶方向时，电离层折射的影响，小于5m。

(2)消除或减弱电离层折射影响的措施

为了消除或减弱电离层折射的影响，在GNSS测量中通常采用以下的方法和措施:

1)利用双频观测

因为电离层折射的影响是信号频率的函数，因此，利用不同频率的电磁波信号进行观测，就可能确定其影响的大小，以便对观测量进行修正。

对于测距码观测，根据理论计算可得:

式中，ΔIg(L1)为用载波L1时，电离层折射对距离观测值的影响;

δρ为根据载波L1和L2的测距码观测得到的伪距差。

对于载波相位观测，根据理论计算可得:

式中，ΔφIp(L1)为用频率为f1的载波观测时，电离层折射对相位观测量的影响;

φf1为频率为f1的载波相位观测量;

φf2为频率为f2的载波相位观测量。

利用两式进行修正，其消除电离层的有效性不低于95%。例如，f1=1575.42MHz和f2=1227.60MHz的两种频率信号经过双频改正后电离层折射影响的残差最大为45cm，平均为0.3cm，90%小于1.7cm。也就是说，经GNSS双频观测改正后的距离残差为厘米级。因此，双频接收机在精密定位中得到了广泛的应用。不过，在太阳辐射强烈的正午，或是太阳黑子活动的异常期，虽经过上述模型修正，但由于模型的不完善而引起的残差，仍然是很明显的。这在拟定精密定位计划时，应当慎重考虑，尽量避免在这个时间段进行观测。

2)利用电离层模型修正(www.xing528.com)

对于单频GNSS接收机，为了减弱电离层折射的影响，通常是由导航电文所提供的电离层模型(Klobuchar模型)或是其他适宜的模型对观测量加以修正。目前这些模型正在完善中，经过模型修正的有效性为75%，也就是说，当电离层对距离观测值的影响为20m时，修正后的残差仍为5m。

3)利用同步观测值求差

当测站相距不太远时，由于GNSS信号到达不同测站的路径相近，所经过的介质状况相近，因此，利用两台或多台接收机在基线的端点进行同步观测并取其观测量之差，可以减弱电离层折射的影响。这是这种方法对短基线( ＜20km的基线)的效果明显，对基线成果的影响一般也不会超过1×10－6。对于单频接收机的用户，这种方法意义明显。

2. 对流层折射的影响

(1)对流层及其影响

对流层是指从地面向上约50km范围的大气层。整个大气层质量的99%，几乎都集中在该大气层中。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的增加而降低。对流层中的少量带电离子对电磁波的传播几乎没有影响，对流层的大气是中性的，对于电磁波的传播不属于弥散性介质。也就是说，电磁波在对流层的传播与频率无关，与大气的折射率有关。GNSS信号通过对流层时，也使传播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，这种现象称为对流层折射。

实际测量资料表明，由于对流层折射的影响，在天顶方向，可使电磁波的传播延迟约2.3m，当高度角为10°时，可达20m。因此，在精密GNSS测量中必须考虑对流层折射的影响。对流层折射的影响还与大气压力、温度和湿度有关。由于大气对流较强，温度、湿度等因素的变化非常复杂，因此，大气对流层折射率的变化和影响难以精确模型化。当要求定位精度较高或基线较长( ＞50km的基线)时，对流层折射是误差的主要来源之一。

(2)消除或减弱电离层折射影响的措施

为了消除或减弱对流层折射的影响，在GNSS测量中通常采用以下的方法和措施:

①采用对流层模型改正。常用的对流层模型有萨斯塔莫宁(Saastamoinen)模型、霍普菲尔德(Hopfield)模型、勃兰克(Black)模型等。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，电磁波的传播路径延迟，经过改正后的残差仍为对流层折射影响的5%左右。

②引入描述对流层折射影响的附加待估参数，在数据处理时一并求解。

③采用同步观测量求差。

与电离层折射的影响类似，当测站相距不远( ＜20km)时，GNSS信号通过对流层的路径相近，对流层的物理性质相似，因此，对同一组卫星的同步观测值求差，可以明显的减弱对流层折射的影响。在精密相对定位中，通常采用此种方法。但是，随着同步观测测站的距离增加，地区的大气状况的相关性不强，这种方法的有效性会降低。根据经验，当距离大于100km时，对流层折射的影响成为GNSS定位的决定性因素之一。

3. 多路径效应的影响

多路径误差亦称多路径效应，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，这些信号相互叠加，引起测量参考点(相位中心点)位置的变化，从而使观测量产生误差，如图2.10所示。多路径误差随着天线周围反射面的性质而异，难以控制。多路径效应对伪距测量的影响比载波相位测量的影响严重，该项误差取决于测站周围的环境和接收天线的性能。资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测距码伪距的影响可达米级，对载波相位测量伪距的影响达厘米级。在高反射环境的条件下，多路径效应的影响明显增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。在精密GNSS导航和测量中，多路径效应的影响是不容忽视的。

减弱多路径效应影响的主要措施有:

①测站要远离较强的反射面，如平坦的地面、大面积平静的水面等。草地、灌木丛等地面植被可以较好地吸收微波信号能量，是较理想的测站站址。粗糙不平的地面和翻耕的土地的反射能力较差，也可以作为测站站址。

图2.10 多路径效应

②测站要远离高层建筑物，观测时测站附近也不要停放汽车。

③测站不宜选在山坡、山谷和盆地中。

④选择抑径圈和抑径板天线，改善GNSS接收机的电路设计。

⑤适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。