第五章电磁波的传播与GPS卫 星信号
第五章 电磁波的传播与GPS卫 星信号
GPS定位的基本观测量是观测站(用户接 收天线)至GPS卫星(信号发射天线) 的距离(或称信号传播路径),它是通 过测定卫星信号在该路径上的传播时间 (时间延迟)或测定卫星载波信号相位 在该路径上的变化周数(相位延迟)来 导出的。 =v△t
GPS定位的基本观测量是观测站（用户接 收天线）至GPS卫星（信号发射天线） 的距离（或称信号传播路径），它是通 过测定卫星信号在该路径上的传播时间 （时间延迟）或测定卫星载波信号相位 在该路径上的变化周数（相位延迟）来 导出的。 = vt
1电磁波的传播速度与大气折射 假设电磁波在真空中的传播速度为ca,则有ca 入af=~a/T=0/k在卫星大地测量中,国际 上当前采用的真空光速为 c=299782458×10%m/s) 对GPS而言,卫星发射信号传播到接收机天线的 时间约0.1秒,当光速值的最后一位含有一个单 位的误差,将会引起0.1m的距离误差。表明准 确确定电磁波传播速度的重要意义。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
1.电磁波的传播速度与大气折射 假设电磁波在真空中的传播速度为cvac，则有cvac= vacf= vac/T= /kvac。在卫星大地测量中，国际 上当前采用的真空光速为 c=2.99782458108 (m/s)。 对GPS而言，卫星发射信号传播到接收机天线的 时间约0.1秒，当光速值的最后一位含有一个单 位的误差，将会引起0.1m的距离误差。表明准 确确定电磁波传播速度的重要意义。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。 如何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 电磁波在大气中的传播速度可以用折射率n来表 示,n=c/。折射率与大气的组成和结构密切相 关,其实际值接近于1,故常用折射数N来表 示,N(n-1)×106
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。 如何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。 电磁波在大气中的传播速度可以用折射率n来表 示，n=c/v。折射率与大气的组成和结构密切相 关，其实际值接近于1，故常用折射数N0来表 示，N0=(n-1)106
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,则该介质成为弥散介质 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。 通常称dvdf为速度弥散。如果把具有不同频率 的多种波叠加,所形成的复合波称为群波,则 在具有速度弥散现象的介质中,单一频率正弦 波的传播与群波的传播是不同的
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，则该介质成为弥散介质。 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。 通常称dv/df为速度弥散。如果把具有不同频率 的多种波叠加，所形成的复合波称为群波，则 在具有速度弥散现象的介质中，单一频率正弦 波的传播与群波的传播是不同的
假设单一正弦波的相位传播速度为相速v,群波 的传播速度为群速vn,则有 式中λ为通过大气层的电磁波波长 若取通过大气层的电磁波频率为f,则相应的折射 率为 +f P af 在GPS定位中,群速v与码相位测量有关,而相 速v与载波相位测量有关
假设单一正弦波的相位传播速度为相速vp，群波 的传播速度为群速vg，则有 式中为通过大气层的电磁波波长。 若取通过大气层的电磁波频率为f，则相应的折射 率为 在GPS定位中，群速vg与码相位测量有关，而相 速vp与载波相位测量有关。 = − p g p v v v f n n n f p g p = +
§42大气层对电磁波传播的影响 1大气层的结构与性质 地球表面被一层很厚的大气所包围,大气的总质 量约为39×1018(kg),约为地球总质量的百 万分之一。由于地球引力的作用,大气质量在 垂直方向上分布极不均匀,主要集中在大气底 部,其中75%的质量分布在10km以下,90%的 以上质量分布在30km以下。同时大气在垂直方 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
§ 4.2 大气层对电磁波传播的影响 1.大气层的结构与性质 地球表面被一层很厚的大气所包围，大气的总质 量约为3.9 1018（kg），约为地球总质量的百 万分之一。由于地球引力的作用，大气质量在 垂直方向上分布极不均匀，主要集中在大气底 部，其中75%的质量分布在10km以下， 90%的 以上质量分布在30km以下。同时大气在垂直方 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1C。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
对流层是指从地面向上约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6.50C，而在水平 方向（南北方向）上，温差每100km 一般不超 过1 0C。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
电离层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
折射数随高度的变化 71000 km 250MHz 400MHz( 1.6GHz 100 Nh) N 600 300 300600
❖ 折射数随高度的变化