如果在理想狀態(tài)下，電磁波傳輸介質(zhì)為絕對(duì)真空，這時(shí)光速為c＝2．99792458×108m/s。測(cè)距的誤差僅取決于信號(hào)的發(fā)射和接受，信號(hào)的傳播過(guò)程幾乎不存在誤差。但實(shí)際情況是，傳輸介質(zhì)不是絕對(duì)真空，信號(hào)到達(dá)接收機(jī)必需要穿過(guò)若干大氣層。這些大氣的性質(zhì)和狀態(tài)各異，而且在多種因素干擾下非常不穩(wěn)定。由于大氣的影響，改變電磁波傳播的方向、速度和狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為大氣折射（atmospheric refraction）。
由大氣物理學(xué)的概念可知，如果電磁波在某種介質(zhì)中的傳播速度與頻率有關(guān)，則稱該介質(zhì)為彌散介質(zhì)，這種現(xiàn)象叫彌散現(xiàn)象（dispersion）。彌散現(xiàn)象是由于傳播介質(zhì)的內(nèi)電場(chǎng)與電磁波外電場(chǎng)的電磁轉(zhuǎn)換效應(yīng)產(chǎn)生。對(duì)于gps信號(hào)而言，大氣折射主要包括電離層折射和對(duì)流層折射。前者屬于彌散介質(zhì)，后者則是非彌散介質(zhì)，它們對(duì)gps信號(hào)的影響是不同的。
一、對(duì)流層折射（tropospheric refraction）
（一） 對(duì)流層折射的基本原理
對(duì)流層（troposphere）一般是指地面以上40km范圍內(nèi)的大氣層，它占整個(gè)大氣層質(zhì)量的99％。對(duì)流層主要包括氮（約78．03％）、氧（約20．99％）、水蒸氣、二氧化碳、氨、惰性氣體硫化物和塵埃等。對(duì)流層由很強(qiáng)的對(duì)流作用，風(fēng)、雨、雪、霧等天氣現(xiàn)象都出現(xiàn)在這一層中。因此對(duì)流層中的水滴、冰晶和塵埃等成分的含量，隨著季節(jié)交替、地理緯度和空間位置的不同而變化，它們對(duì)電磁波的傳播都有較大影響。
對(duì)流層對(duì)電磁波傳播的折射效應(yīng)，這種影響稱為對(duì)流層延遲（tropospheric delay）。在gps定位中，對(duì)流層延遲一般用來(lái)泛指非彌散介質(zhì)對(duì)電磁波的折射。對(duì)流層和平流層中雖含有少量帶電離子，但對(duì)于頻率小于15ghz的電磁波而言，可以認(rèn)為是非彌散介質(zhì)。由此，對(duì)流層延遲包括對(duì)流層和平流層（地面以上50km）共同的影響，但由于折射的80％以上發(fā)生在對(duì)流層，所以統(tǒng)一稱為對(duì)流層延遲。在對(duì)流層延遲的影響下，衛(wèi)星位于天頂方向（高度角90°）時(shí)，大約產(chǎn)生2．3m的誤差；高度角5°時(shí)，大約有25m的誤差。這種影響與電磁波傳播途徑上的溫度、濕度和氣壓有關(guān)，是精密gps定位中是必須要考慮的誤差項(xiàng)。
對(duì)流層折射的影響主要是使電磁波傳播路徑與幾何距離相異，因而也叫過(guò)剩路徑長(zhǎng)度
（excess path length）。假設(shè)大氣折射引起的過(guò)剩路徑長(zhǎng)度為dtrop，則它就等于測(cè)距信號(hào)光學(xué)路徑長(zhǎng)度l與幾何距離r之差，可表示為
等式右端第二項(xiàng)為光學(xué)路徑彎曲，數(shù)據(jù)處理中往往忽略不計(jì)。于是上式簡(jiǎn)化為
其中s光學(xué)傳播路徑；n（s）表示折射率，它是s的函數(shù)。
實(shí)際計(jì)算中，常把過(guò)剩路徑長(zhǎng)度dtrop表示為天頂方向上對(duì)流層折射分量dz與映射函數(shù)m（e）的乘積，其中m（e）是衛(wèi)星高度角（satellite elevation）e的函數(shù)。
對(duì)流層延遲的90％由干燥氣體引起，稱為干分量；其余10％由水汽引起，稱為濕分量。
于是，（4－12）可進(jìn)一步表示為
其中dz,dry、dz,wet分別表示對(duì)流層延遲天頂方向上的干、濕分量；mdry（e）、mwet（e）分別表示干、濕分量映射函數(shù)。
（二）對(duì)流層折射的改正方法
目前的科技文獻(xiàn)中，可以找到許多對(duì)流層改正模型。在gps定位中，最常用的模型是hopfield模型和saastamoien模型。
hopfield模型直接給出干、濕分量的折射改正。
它們?nèi)Q于測(cè)站的絕對(duì)溫度t、大氣壓力p、水汽壓e、衛(wèi)星高度角e以及測(cè)站地心向徑r的大小。
saastamoien模型按照（4－13）式，需要引入相應(yīng)的映射函數(shù)。對(duì)流層延遲天頂方向上的干、濕分量取決于測(cè)站的絕對(duì)溫度t、大氣壓力p、水汽壓e、衛(wèi)星高度角e以及測(cè)站緯度b和高程h。由于篇幅所限，這里不給出改正模型具體形式，詳情請(qǐng)參閱有關(guān)文獻(xiàn)。
干燥氣體在時(shí)間和空間上比較穩(wěn)定，干分量的改正容易達(dá)到較高精度。濕分量則由于大氣濕度隨地理緯度、季節(jié)和大氣自身運(yùn)動(dòng)的變化而相異，無(wú)論使用何種模型目前都還難以從物理上精確模擬，故而難以達(dá)到較高的改正精度。在模型誤差和氣象元素誤差的作用下，經(jīng)過(guò)改正以后的干分量的改正精度可達(dá)1％～2％，在天頂方向誤差約為2～4cm；濕分量的改正精度約為10％～15％，在天頂方向誤差約3～5cm。總的說(shuō)來(lái)，改正后的觀測(cè)值將仍保持對(duì)流層影響的2％～5％左右。
提高對(duì)流層折射改正精度通常有兩種做法：其一就是完善對(duì)流層折射改正模型，降低模型誤差造成的影響；其二是采用相對(duì)定位差分的方法，利用測(cè)站間對(duì)流層延遲的相關(guān)性來(lái)削弱其影響。
二、電離層折射（ionospheric refraction）
（一）電離層折射的基本原理
從電磁波傳播的角度來(lái)看，電離層泛指地面以上50km的大氣層。由于受太陽(yáng)輻射作用，電離層（ionosphere）中的氣體被電離，以正離子和自由電子的形式存在，成為彌散介質(zhì)。電磁波進(jìn)入電離層后，在帶電粒子的作用下，其傳播速度發(fā)生了改變。在中緯度地區(qū)，測(cè)站天頂方向上電離層延遲白天可達(dá)10m，夜晚可達(dá)1～3m左右。當(dāng)衛(wèi)星高度角低于10°時(shí)，電離層延遲（ionospheric delay）可能擴(kuò)大至10～45m左右。
同對(duì)流層影響一樣，電離層延遲diono為
根據(jù)大氣物理學(xué)的有關(guān)理論，可以導(dǎo)出電離層折射的相位延遲
由此可以得到距離延遲
其中，c表示光速，f表示電磁波頻率，表示信號(hào)傳播路徑上總電子數(shù)（電子數(shù)/m2）。
從公式（4－15）和（4－16）可以看出，電離層延遲是傳播路徑上電子總數(shù)的函數(shù)。電離層的電子密度，隨著太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度、季節(jié)、晝夜交替以及地理位置的變化而有所不同，其中與太陽(yáng)黑子的活動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系尤為密切。
觀測(cè)資料表明，電離層的電子密度晝夜可相差5倍，冬季和夏季可相差4倍，太陽(yáng)黑子活動(dòng)高峰期與低谷期可相差4倍，此外太陽(yáng)的擾動(dòng)和磁暴（magnetic storm）還能引起電離層的不規(guī)則變化。在多種因素的影響下，電離層的電子密度變化范圍在109～3×1012電子數(shù)/m3之間，有時(shí)電離層延遲甚至可能在天頂方向上達(dá)到50m，在水平方向上達(dá)到150m。
（二）電離層折射的改正方法
電離層折射可以使用模型改正、差分改正和雙頻觀測(cè)的方法加以改正。
常用的模型包括單層模型和klobuchar模型，模型改正所需要的參數(shù)通常包含在衛(wèi)星導(dǎo)航電文中。實(shí)踐表明，采用模型改正可以改正電離層影響的50％～60％，理想情況下可以達(dá)到75％。更精確的電離層延遲改正模型目前還有待進(jìn)一步研究。差分改正將在第七章中加以介紹。下面主要介紹一下使用雙頻觀測(cè)進(jìn)行電離層改正的方法。
電離層屬于彌散介質(zhì)，因此可用雙頻觀測(cè)來(lái)改正電離層折射的影響。令
如果分別采用頻率為f1、f2的載波l1和l2進(jìn)行觀測(cè)，可以得到
其中ρ1、ρ2分別表示兩個(gè)載波測(cè)得的距離觀測(cè)值，δρ1、δρ2分別表示兩個(gè)載波的電離層折射距離延遲，ρ0表示站星之間幾何距離。
將（4－19）中兩式求差可得
于是
結(jié)合前一式式便可得到消除電離層延遲的幾何距離ρ0
雙頻觀測(cè)組合能將電離層延遲抑制在2～4cm誤差范圍內(nèi)，但同時(shí)也放大了觀測(cè)值噪聲，破壞了模糊度的整數(shù)特性，給gps定位帶來(lái)一定負(fù)面影響。一般說(shuō)來(lái)，相對(duì)定位短基線情況下，電離層對(duì)基線兩端的影響相近，可直接通過(guò)觀測(cè)值求差消弱電離層延遲影響。長(zhǎng)基線情況下，基線兩端大氣環(huán)境缺乏相關(guān)性，宜采用雙頻組合消除電離層折射的影響。對(duì)于單頻接收機(jī)單機(jī)定位，模型改正是唯一的方法。
三、多路徑效應(yīng)（multipath）
理想狀態(tài)下，衛(wèi)星信號(hào)將沿最短路徑直接達(dá)到接收機(jī)天線。而如果天線附近有反射物，如圖4－5所示，這時(shí)接收機(jī)天線幾乎同時(shí)收到衛(wèi)星的直接信號(hào)與反射信號(hào)，兩種信號(hào)的疊加將使觀測(cè)值產(chǎn)生附加時(shí)延量，這種現(xiàn)象稱為多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)的影響（multipath error）屬于電磁波傳輸過(guò)程中的誤差，它會(huì)使載波相位觀測(cè)量產(chǎn)生“周跳”，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)失鎖。
多路徑效應(yīng)可以通過(guò)雙頻觀測(cè)組合、觀測(cè)殘差分析等方法檢測(cè)出來(lái)。但由于多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生與周圍環(huán)境有關(guān)，環(huán)境又是復(fù)雜多樣的，所以它的作用機(jī)制目前還難以精確抽象為一個(gè)統(tǒng)一的函數(shù)表達(dá)式。當(dāng)前最好的辦法是采取預(yù)防性措施：
——安置接收機(jī)天線時(shí)，避開較強(qiáng)的反射面，例如水面、光滑的地面以及表面平整的建筑物（玻璃幕墻）等。
——適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，削弱多路徑效應(yīng)的周期性影響。
——選擇適當(dāng)造型的抗多路徑效應(yīng)天線板
——有針對(duì)性的改善接收機(jī)內(nèi)部電路設(shè)計(jì)，減弱多路徑效應(yīng)的影響。
由于城市中存在許多反射較強(qiáng)的環(huán)境，易造成衛(wèi)星信號(hào)遮擋和多路徑效應(yīng)，成為在城市中應(yīng)用gps定位實(shí)現(xiàn)各種信息服務(wù)的主要障礙之一。綜合考慮精度、效率和成本等因素，將gps定位結(jié)合無(wú)線電導(dǎo)航或慣性導(dǎo)航作為空間數(shù)據(jù)的采集手段，是當(dāng)前解決這個(gè)問(wèn)題的思路之一。