基于GNSS信号的对流层建模与延迟误差分析

论文摘要

随着全球卫星导航系统GNSS(Global Navigation Satellite System)技术的进步与发展,GNSS系统的应用领域越来越广泛,尤其在导航定位以及大气测量方面得到了重要的体现。然而,由于对流层大气分布的不均匀性,当GNSS信号穿过对流层时,不可避免地会产生延迟。而对流层延迟无论作为精确定位的误差,或者作为GNSS气象学中的数据源,都需要对其进行研究和分析,本文则利用模型函数理论针对对流层延迟的误差修正进行研究。本文首先分析了对流层的气象特征和电磁特性,并建立了折射指数与大气温度、气压、水汽压等气象参数之间的函数关系,并由此对对流层延迟误差的产生原因及结果进行了深入分析,确定了利用气象参数计算对流层延迟误差的关系表达式,重点针对造成误差的弯曲路径效应进行了讨论和分析,得到了弯曲路径延迟与卫星高度角之间的关系,并由此确定,在卫星高度角大于15o时,弯曲路径延迟可忽略不计。其次,函数模型法可以分为天顶延迟和映射函数两部分分别进行研究,本文在掌握经典天顶延迟模型和经典映射函数模型的基础上,对经典天顶延迟模型误差的影响因素进行了详细分析,确定了温度、气压以及水汽压等气象参数以及测站地理位置因素对于Saastamoinen模型、Hopfield模型以及EGNOS模型的影响程度。通过对三种经典模型的比较,说明了EGNOS模型在标准大气情况下受气象参数的影响最小,Saastamoinen模型受测站高程变化的影响最大,而Hopfield模型受测站高程变化的影响最小。在折射指数模型的基础理论之上,本文对哈尔滨地区气象数据进行了分析研究,并分四个季节对该地区的天顶延迟数据进行拟合,通过对全年天顶延迟值的计算与比较,最终建立了适用于该地区的局域性对流层天顶延迟模型。将所建立的Harbin模型与Saastamoinen、Hopfield以及EGNOS等经典天顶延迟模型进行比较分析,证明了Harbin模型适合于哈尔滨地区的对流层大气描述,并且与经典天顶延迟模型相比,Harbin模型对哈尔滨地区的延迟误差的修正精度更高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及来源
• 1.2 研究的目的与意义
• 1.3 国内外发展现状
• 1.3.1 对流层延迟处理方法
• 1.3.2 天顶延迟模型
• 1.3.3 映射函数模型
• 1.4 本文主要研究内容与结构安排
• 第2章 GNSS信号的对流层延迟
• 2.1 大气的垂直分层结构
• 2.2 对流层的特性分析
• 2.2.1 气象特性
• 2.2.2 电磁特性
• 2.3 对流层的延迟效应
• 2.4 信号在对流层中的弯曲路径延迟
• 2.5 本章小结
• 第3章 对流层天顶延迟处理方法
• 3.1 折射率模型法
• 3.1.1 线性模型
• 3.1.2 指数模型
• 3.1.3 三段模型
• 3.1.4 双指数模型
• 3.2 经典天顶延迟模型
• 3.2.1 Hopfield模型
• 3.2.2 Saastamoinen模型
• 3.2.3 EGNOS模型
• 3.3 经典映射函数模型
• 3.3.1 Saastamoinen映射函数模型
• 3.3.2 Marini映射函数模型
• 3.3.3 Chao映射函数模型
• 3.3.4 CFA.22 映射函数模型
• 3.4 经典天顶延迟模型的分析与比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 对流层天顶延迟模型的研究
• 4.1 地域性气候特点
• 4.2 气象参数的数据处理与分析
• 4.3 天顶延迟模型的建立与分析
• 4.3.1 折射指数模型
• 4.3.2 天顶延迟模型
• 4.4 与经典天顶延迟模型的性能比较分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢