VLBI大气折射误差分析.doc

VLBI观测中电离层误差问题 众所周知，电磁波在电离层中传播具有，也就是电离层折射误差与频率平方成反比的性质。如果VLBI采用一个频段的话，可以使用电离层修正经验模型修正电离层延迟误差（模型可以参照相关文件）。若VLBI采用S/K两个频段电磁波信号观测，可以利用其弥散性质作双频电离层误差改正。对于S/ 双频VLBI观测而言进行双频率电离层效应改正后残余的电离层高阶项对群延迟的影响将小于1mm。对于目前的测地和天测VLBI 的处理软件, 例如 的MASTERFIT 和GSFC 的CALC都是假定输入的数据已经进行了双频电离层改正。VSOP 观测在三个频率上进行：22GHz(1.3cm)，5GHz(6cm)和.7GHz(18cm)。因此，对于大地测量数据处理可以获得双频数据，取消一阶影响。使用所有三种频率的观测数据，甚至可以消除二阶影响，尽管这将非常昂贵和耗时间。如[ibid.，p.43]中所指出，双频改正依赖于两种频率的间隔。如果使用在1.7GHz 和22GHz 的观测量，带电离层路径延迟改正估计的标准偏差将小到0.0037ns，这远远小于对SVLBI 观测量期望的估计标准偏差0.5ns[NAG，1989，p.36]。甚至对单频观测量，由于一阶电离层影响与频率的平方成反比（不考虑单位），当使用更高的频率22GHz 时，一阶电离层影响将很小。 中性大气延迟误差 中性大气层是指对流层、平流层、中间层和部分热层的合成大气。对于L～K波段电磁波来讲，中性大气层基本上不存在色散效应。这就意味着对于射电信号而言，不可能采用双频率改正的方法来消除中性大气层的影响，而只能求出信号传播路径上各处的大气折射系数，然后进行积分来计算中性大气层传播延迟改正。其中对流层是中性大气层中最活跃的部分，因而也是中性大气影响VLBI射电信号的主体。 大气折射改正尤其是中性大气延迟的湿分量一直影响着空间大地测量技术精度的提高。在射电波段中性大气延迟的影响可从天顶方向的2m 到地平高度角15°的25m，即使通过模型修正，也只能修正其中的90﹪～95﹪，特别是湿大气部分由于变化随机性强，很难用模型估计。目前空间大地测量技术的精度已经达到厘米级，正在向毫米级精度方向发展，但大气折射的归算精度却几乎限制在同一精度上，这主要因为大气模型时空变化的复杂性和大气折射积分函数的不可积分性的影响。在以往的研究中所建立的大气规范模型主要有：指数模型、Hopfield大气规范模型、Saastamoinen大气模型和标准大气模型。从理想气体状态方程出发，在等温条件下推出的指数大气折射率差模型是最简单的数学模型，其它两种类型的大气模型比指数大气模型更接近于实际大气分布，但它们在数学形式上的复杂性增加了计算上的工作量。 大气折射数学理论方法的研究基本上分为两大类，一是以Saastamoinen 改正公式为代表的，首先把大气折射积分中的被积函数按高度角进行三角函数级数展开，然后逐项积分；二是以Marini连分式映射函数和在此基础上发展起来的CFA模型为代表，他们用数值积分方法求出球对称大气模型下的不同高度角大气折射延迟改正，再对积分值按高度角三角函数用一定的数学模式进行拟合，求出拟合系数。大气折射积分是一个不可积函数，第二种数学处理方法只能是一种经验拟合，在数学形式上可采用更多的参数去拟合各种复杂物理因素的影响，这就在应用上比第一类方法显得明确方便。更重要的是所能应用的高度角范围比第一种方法低，特别适合于VLBI的较低高度角特殊纲要观测处理。 由于现有的大气折射改正方法的数学基础还显得较薄弱。寻求一种数学方法和物理模型更为吻合的计算过程，是改善目前大气折射不准确的出路之一。Moritz提出了大气折射共形理论，平劲松博士于1996年在这一理论的基础上建立了UNSW931大气折射模型，并应用到VLBI的数据处理中。在进入20世纪90年代以来，由于空间大地测量技术特别是GPS广泛应用，有关空间测地技术中的大气效应研究得到了迅速发展。近年来关于大气的研究主要有：Chen,G 研究了大气折射方位角对空间大地测量数据的影响，MacMillan,D.S和Emardson.T详细地讨论了测地VLBI中有关的大气模型改正，MendesV.B研究了空间大地测量技术有关中性大气传播延迟的模型，Niell A.E.研究了在VLBI射电波段大气延迟全球映射函数的理论。 综上所述，要有效改正VLBI观测中的中性大气折射误差，必须采用高精度温度湿度大气压数据采集硬件设备、大气折射物理模型和软件参数估计相结合的方法解决中性大气折射误差修正问题。通常，VLBI射电观测数据进行中性大气折射误差修正时，使用采集的温度、湿度、大气压以及VLBI射电信号传播路径上水气数据等大气参数，根据大气折射物理模型进行初始修正，对于其残余误差在数