大气折射率剖面模型与电波折射误差修正方法研究

论文摘要

大气折射效应引起电波传播延迟和路径弯曲,是制约无线电定位和测速精度提高的关键因素之一。为进一步提高电波折射修正的精度,需加强对大气折射率剖面模型和电波折射修正方法的研究。本文针对卫星测控电波折射高精度修正的需求,利用当地气象探空数据,开展了大气折射率剖面模型和电波折射修正经验模型的研究,主要成果如下:利用青岛站和北京站1986-1995年的实测折射率剖面,对现有的几种常见的折射率剖面模型的精度进行了分析比较,结果表明Hopfield大气折射率剖面模型较其它模型具有更好的预测精度。在Hopfield大气折射率剖面模型的基础上,通过对青岛站和北京站历史探空数据的统计分析,得到了折射率模型中关键参数（温度随海拔高度的变化梯度β和水汽分压常数λ）与地面温度t 0的经验关系式,建立了改进模型;由历史探空剖面进行的比较表明:改进模型提高了折射率剖面的预报精度。基于以上建立的折射率模型,选择春夏秋冬四个有代表性的时刻个例,利用射线描迹法对大气折射引起的距离误差和仰角误差进行了分析,结果表明:在仰角较低时（5°以下）,尤其对定位精度要求较高时,弯曲误差不能忽略。同时,低仰角和高仰角（5°以上）时的折射误差随仰角的变化趋势也不同。基于以上对各误差随仰角的统计分析结果,本文分低仰角和高仰角两种情况,利用青岛站的历史探空数据建立了电波折射修正经验模型,并用西安卫星测控中心提供的一组实测数据对模型的修正精度进行了检验。检验结果表明:经验模型可以达到与射线描迹法同样的修正精度,且在低仰角时优于ITU-R（国际电信联盟-无线电通信）电波折射误差修正简化模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 0.1 研究背景和意义
• 0.2 国内外研究现状
• 0.3 论文结构安排
• 1 大气环境特性及折射率剖面模型
• 1.1 大气环境特性
• 1.1.1 温度
• 1.1.2 湿度
• 1.1.3 压强
• 1.2 大气折射率
• 1.3 折射率剖面模型
• 1.3.1 线性模型
• 1.3.2 指数模型
• 1.3.3 ITU-R 指数模型
• 1.3.4 双指数模型
• 1.3.5 分段模型
• 1.3.6 Hopfield 模型
• 1.4 折射率剖面模型的比较
• 1.4.1 误差评估方法
• 1.4.2 折射率静力项（或干项）比较
• 1.4.3 折射率湿项比较
• 1.4.4 总折射率比较
• 1.5 本章小结
• 2 基于 Hopfield 模型的折射率模型改进
• 2.1 Hopfield 模型
• 2.1.1 Hopfield 模型静力项
• 2.1.2 Hopfield 模型湿项
• 2.2 折射率模型的改进
• 2.2.1 静力项
• 2.2.2 湿项
• 2.3 改进后模型效果检验
• 2.3.1 静力项
• 2.3.2 湿项
• 2.4 本章小结
• 3 中性大气层电波折射误差修正
• 3.1 折射误差修正方法
• 3.2 射线描迹法
• 3.2.1 费马原理（Fermat’s Principle）
• 3.2.2 斯奈尔定律（Snell’s Law）
• 3.2.3 折射误差计算
• 3.3 修正结果及分析
• 3.3.1 距离误差
• 3.3.2 仰角误差
• 3.4 本章小结
• 4 折射误差修正简化模型
• 4.1 简化模型的应用
• 4.2 几种距离误差经验模型
• 4.2.1 Bean 经验模型
• 4.2.2 Altshuler 经验模型
• 4.2.3 ITU-R 经验模型
• 4.3 简化模型的新发展
• 4.3.1 天顶延迟
• 4.3.2 映射函数
• 4.4 折射误差修正经验模型
• 4.4.1 距离误差经验模型
• 4.4.2 仰角误差
• 4.5 修正效果检验
• 4.5.1 数据预处理
• 4.5.2 修正精度检验
• 4.6 本章小结
• 5 结束语与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 附录A Hopfield 模型推导
• 附录B 对流层以上高度的折射率静力项模型
• 附录C 天顶静力项延迟
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果