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文章
大气颗粒物（PM2.5和PM10）浓度对GPS信号影响研究
Lawrence Lausup1;,*and Jun Hesup2;
- 中国宁波诺丁汉大学土木工程，中国宁波太康东路199号，315100。
- 中国宁波诺丁汉大学化学与环境工程系，中国宁波太康东路199号，315100；jun.he@nottingham.edu.cn
*对应：lawrence.lau@nottingham.edu.cn；电话： 86-574-8818-9032
学术编辑：Jason K. Levy
收到：2017年1月2日；接受：2017年3月2日；出版：2017年3月3日
摘要：全球定位系统（GPS）已广泛应用于导航、测量、地球物理和地球动力学研究、机器导航等领域，高精度GPS应用，如大地测量等需要毫米级和厘米级精度。由于GPS信号受大气影响，GPS数据处理需要校正或消除电离层和对流层偏移的方法。相对定位可以用来削弱大气影响，但其效果取决于基线长度。空气污染是一个全球性的个严重问题，特别是在发展中国家，对人类健康和生态系统造成损害。可吸入悬浮颗粒是直径为10微米或以下的粗颗粒，也称为PM10。此外，直径为2.5微米或更小的细颗粒被称为PM2.5。GPS信号在到达地球表面的接收器之前经过大气层，本文提出的研究问题是：GPS信号会被的PM2.5/PM10的浓度影响吗？虽然没有关于PM2.5/PM 10粒子对GPS信号影响的标准模型，但是在文献中找到在GPS数据处理中的非气态大气成分(lt;1mm)的近似通用模型。本文研究了不同浓度的PM2.5/PM10对GPS信号的影响，验证了上述近似模型与载波噪声比（CNR）为基础的实证研究方法。近似模型和实证结果都表明，大气PM2.5/PM10及其浓度对GPS信号的影响可以忽略不计，其效果与GPS测量噪声水平相当。
关键词：全球定位系统（GPS）；GPS信号传播；大气颗粒物（PM）；PM2.5；PM10；空气污染
引言
全球卫星导航系统（GNSS）已广泛应用于车辆和个人导航、工程、大地测量、地球物理和地球动力学研究、上机指导，姿态测定[ 1 ]，室内定位（高灵敏度接收机）等领域。高精度GNSS应用如工程和大地测量需要毫米和厘米级精度。GNSS包括美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS），欧洲的伽利略，以及中国的北斗（BDS）；本文将具有全球定位覆盖范围的系统视为全球导航卫星系统--BDS的地球静止轨道(GEO)和倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星被认为是区域导航。本文中的卫星系统(RNSS)是因为它们只提供区域定位能力。GNSS信号从经过空间和大气层的中地球轨道卫星发射，并到达地球表面的GNSS接收器。因为全球导航卫星系统的信号会受到大气偏差的影响，所以全球导航卫星系统数据处理需要校正或消除任何电离层和对流层偏置的方法。电离层是一种色散介质，在不同的GNSS频率中造成测量的不同的延迟。原来的GPS被设计为在L1和L2波段有两个频率，并且两个频率可以线性组合消除一阶电离层效应。因此，所有的GNSS系统都有两个或两个以上的频率来处理电离层效应。此外，可以通过应用修正模型如Klobuchar模型[ 2 ]和NeQuick模型[ 3 ]减轻电离层的影响。所有GNSS频率的对流层折射影响都相同，即不同频率的延迟是相同的。修正模型如Hopfield模型[ 4 ]，[ 5 ]和Saastamoinen模型可以用来减少对流层偏差。更多有关GNSS电离层和对流层效应及其修正/缓和的细节可在[ 6 ]中可以找到。
Sensors 2017, 17, 508; doi:10.3390/s17030508www.mdpi.com/journal/sensors
空气污染是在全球范围内是一个严重环境问题，特别是在发展中国家。主要污染物包括硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、挥发性物质、IC化合物（VOC），颗粒，或者简称为颗粒物（PM），氯氟烃（CFCs），氨（NH3）、放射性污染物等。微粒是悬浮在气体中的微小的固体或液体颗粒。可吸入悬浮颗粒（RSP）是一个直径10微米或更小的颗粒，也被称为PM10。直径为2.5微米或更小的细颗粒被称为PM2.5。空气中高含量的PM2.5与健康危害有关，如心脏病（7）、肺功能下降和肺癌。2001~2006年度多角度成像光谱辐射计(MISR)和中分辨率成像光谱辐射计(MODIS)观测到的PM2.5密度全球图美国宇航局的ED如图1所示。这表明发展中国家的PM 2.5密度通常很高。图2显示了2008-2010年间MISR和MODIS遥感卫星在中国上空观测到的PM2.5密度。中国宁波的位置显示在（图2）地图上，是这次调查收集测试数据的城市。
图1.根据地面多角度成像光谱仪(MISR)和中分辨率成像光谱辐射计(MODIS)和GEOS-CH的数据，2001-2006年度PM2.5的全球视图EM模型。(Source: http://visibleearth.nasa.gov/view.php?id=46823; Credit: NASA map by Robert Simmon, based on data from the Multi-angle Imaging SpectroRadiometer (MISR) and the Moderate Resolution Im在Terra和GEOS-Chem模型上的老化光谱辐射计(MODIS)。标题：Holli Riebeek和Adam Vo兰)。
全球导航卫星系统可用于估计天顶对流层延迟[8]和估算可降水量的水汽含量[9]。全球导航卫星系统信号在大气中传播，因此可能会被问到全球导航卫星系统是否存在。信号是否被大气颗粒物折射。在全球导航卫星系统数据处理中，全球导航卫星系统信号中没有大气PM2.5/PM 10粒子的标准模型，作者仅在文献中找到非气态大气成分(lt;1mm)[10]的近似通用模型。本文研究了PM2.5/PM 10粒子浓度对GPS信号的影响。用基于载波噪声比(CNR)的经验方法对上述近似模型进行了验证。请注意，在本研究中使用gps是因为它是提供全球覆盖的唯一具有码分多址(Cdma)信号的全球导航卫星系统，并且具有完全的业务能力(FOC)。本研究不使用基于频分多址(FDMA)的GLONASS，因为物理相互作用通常与频率有关。此外，长星座几何学代表在本文提出的经验方法中，GLONASS的测量重复性(即8天)将带来更大的气象不确定性。
本文的目的是研究在中国宁波诺丁汉大学科学与工程大楼(SEB)楼顶上采集的单站GPS双频数据中大气PM2.5和PM10浓度对GPS信号的影响。全文共分为五个部分：第一节介绍了本文的研究背景和绪论。第二节简要介绍了与全球导航卫星系统大气折射有关的物理学，以及非气态大气成分的近似通用模型。第三节给出了本次调查的方法和实验数据。第四节介绍了处理结果和分析。最后，结束语见第5节。
图2.2008-2010年间，根据Terra卫星上的Misr仪器、Terra和Aqua卫星上的moDIS仪器以及化学运输的数据，绘制了2008至2010年间中国上空PM2.5的卫星地图。模型名为GEOS-Chem。(Source:http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=77495; Credit: NASA Earth Observatory image by Jesse Allen, using data provided by Erica Zell, Battelle and Angel Hsu,耶鲁大学环境法律与政策中心。亚当·沃兰德的描述。）
全球导航卫星系统大气折射物理
根据反射和折射的规律，当平面波落在两个不同光学性质的均匀介质之间的边界上时，它被分裂成两个波--透波进入第二介质，反射波传播回第一介质[11]。在GNSS中，众所周知，当GNSS信号在电离层和对流层传播时发生折射，当存在多路径是会发生反射[12，13]。
电离层对相位(delta;p)和码(delta;g)信号传输路径的影响可以被表示为[6]：
delta;p = int;(np minus; 1)ds = int;( a1 a2 )ds (1)
f 3
f 2
其中np表示电离层在相位上的折射率，系数a1和a2取决于电子密度Ne，f是频率：
delta;g = int;(ng minus; 1)ds =int;( a1 a2 )ds
f 2
f 3
其中ng表示群上电离层的折射率。忽略方程(1)和(2)右边的第二个项，我们得到：
delta;p = minus;delta;g = int;( a1 )ds (3)
f 2
电离层对相位和电码测量的影响有相反的迹象，而且震级大致相同。系数a1为minus;40.3Ne，其中Ne为电子密度。托特天顶方向的总电子含量（TEC）可定义为：
TEC = int; Neds (4)
它可以从特殊的模型中计算；详见[6]。微粒被困在行星边界层中，边界层通常低于海平面测量的2公里[14]，而电离层位于离海平面50-1500公里的范围内[15]。因此，低层大气中的颗粒物与电离层中的离子/电子之间不可能发生物理相互作用。
对流层效应取决于天线位置的温度、压力、湿度和高度，它在不同的全球导航卫星系统频率和测量类型(即伪卫星)中造成同样的延迟。（即伪距和载波相位）。与电离层路径延迟类似，对流层路径延迟可写为[6]：
delta; = int; (n minus; 1)ds (5)
其中n是对流层的折射率，积分沿信号路径进行。折射率异常(nminus;1)的标度通常由：
N = 106(n minus; 1) (6)
其中N被称为对流层折射。N可分为湿组分(约10%)和干组分(约90%)：
N = Nw Nd (7)
其中指数w和d分别表示由水蒸气和干大气引起的湿和干成分。方程式(5)变成：
delta; = delta;w delta;d = 10minus;6 int;Nds (8)
对流层路径延迟(delta;w)的湿分量：
delta;w = 10minus;6 int;Nwds (9)
对流层路径延迟(delta;d)的干分量：
delta;d = 10minus;6 int;Ndds (10)
颗粒物(PM2.5和PM 10)可能漂浮在空气/气体中，或溶于水中，成为悬浮在对流层[17]的气溶胶[16]。颗粒物质的存在可能会改变对流层的折射率。当电磁波通过颗粒物质的“层”传播时，可能的物理相互作用是反射、折射、吸收和散射。全球导航卫星系统的频率范围(约1.2-1.6GHz)可视为电磁波谱中的极短无线电波或超长微波。我们知道，当大气中有PM2.5/PM 10粒子时，我们仍然可以接收到全球导航卫星系统的信号，因此，最有可能也是最重要的物理相互作用是折射。然而，PM2.5/PM 10颗粒物对全球导航卫星系统信号没有物理影响。如果粒子的折射率仅与周围介质的折射率差距很小[18]：
|n minus; 1| le; 1 (11)
方程(11)中绝对值符号内的单位是介质相对于自身的折射率，因为n是粒子相对于介质的折射率。如果满足方程(11)表示的条件，那么粒子与入射光[18]的相互作用很弱；这可能不适用于其他电磁频率。采用散射比浊法测量气溶胶散射系数，在0.000-0.200的可见光[19]范围内PM2.5被认为在1.3-1.8范围内具有折射率的实部，而在1.3-1.8范围内具有折射率的虚部；
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