GPS的工作原理及其相关运用.docx

GPS的工作原理和运用随着科学的日益发展，民用航空对导航的要求也日益提高，美国的全球定位系统(GPS)导航出现后，对于民用航空来说，具有非常重要的作用，不论是在定位还是在导航数据的提供，其精确性都是其他导航设备无法比拟的。本文主要介绍了GPS的组成和组成部分的功用以及GPS的基本工作原理，并且以学院中教机西门诺尔飞机为例。介绍了在西门诺尔飞机上GPS具体的使用方法，论述了GPS对于民用航空飞机航路飞行中导航的重要性，以及其不可替代的精确性，并分析了GPS在飞行中可能出现的误差以及对误差的修正方法。虽然全球定位系统现在只是作为辅助导航设备在航路中使用，但是其未来的发展趋势是不可阻挡的，它的不可比拟的精确性以及其低廉的使用费用将大大提高民用航空的导航能力。 关键字:全球定位系统、误差、差分、伪距 前言 GPS是英语 Global Positioning System的三个字头。即全球定位系统。是一种卫星导航系统。它是现代电子信息技术与空间技术相结合的杰出成果。被称为当代第三大航天工程。是对传统的定位技术的重大突破和变革。GPS是继惯性导航系统之后，在导航技术领域内的又一项重大革命，它的应用将使传统的导航技术产生飞跃。 GPS计划是由美国国防部发起研制，这是一项规模宏大的战略计划，是一种可向民用开放的军事系统。这种以空间为基础的卫星导航系统可在全球范围内全天候地为海上，陆地，空中和空间各类拥护连续提供高精度的三维位置，速度和时间信息，并具有良好的抗干扰和保密性能。GPS技术是在充分吸取现代最新科技成果的基础上研制的新一代无线电导航定位系统。由于它不但为导航和定位提供了有效的手段，同时还具有精确授时功能，这样该系统就具有取代目前正在使用中的诸多无线电导航系统的潜力。对无线电导航系统以至整个导航系统未来的发展将产生深远的影响，正是基于此，美国把发展GPS作为实现无线电导航现代化的核心，并计划以GPS作为单一的无线电导航系统而逐步淘汰现有的航空无线电导航系统。国际民航组织ICAO已决定，将卫星导航(GPS或别的卫星导航系统)作为制定21世纪未来空中导航系统政策的里程碑，并且制定了以卫星导航作为未来唯一的导航方式的发展政策。可以肯定GPS将成为21世纪的主要导航系统。 1.GPS的组成 GPS是由三个部分组成，分别是:空间段(空间卫星)，控制段(地面监控系统)和用户段(用户设备)。 1.1空间卫星 GPS布放在空间的卫星是由24颗组成，工作卫星21颗，备用卫星3颗，其运行轨道参数如下: (a) 分布在六条近似圆形轨道上 (b) 各轨道面在赤道面上相互间隔60度 (c) 相对赤道面倾角均为55度 (d) 轨道平均高度20200千米 (e) 卫星运行周期11小时58分钟 (f) 每个轨道原则上布放4颗卫星 这种轨道参数及配置，可以保证在地球上和地球上空任一处，一天24小时任何时候都可以看到4颗以上的GPS卫星，这有利于全球范围内进行实时定位，有利于提高定位精度。 1.2地面监控系统 地面监控系统是由1个主控站，3个注入站及5个检测站组成。 1.3用户设备 GPS的接受设备用于卫星信号的捕获，信号处理，数据调节，坐标转换，导航计算，人/机接口等工作。用户设备一般包括GPS接收天线，用户接收处理机和控制显示设备三部分，核心是接收处理机，简称GPS接收机。 2.GPS的工作原理 卫星导航是空间技术，大堤和大气测量技术，数字通信和计算机技术等基础上发展起来的现代无线电技术。 2.1 GPS采用的坐标系及变换 GPS是以卫星作为时空基准点的导航系统，我们称之为星基系统，常用宇宙直角坐标系，而飞机在用的是地理坐标，因此要进行坐标转换。 2.1.1宇宙直角坐标系 卫星导航的最基础任务是确定用户的空间位置。卫星在空间的位置，通过卫星轨道参量来表示。卫星和地球的相对位置不仅取决于卫星的轨道参数，而且与的确自转有关。用户通过测定对卫星的相对位置，进而确定自己的地理位置。 宇宙直角坐标系是与地球牢固相连，随着地球旋转的直角坐标系，如图1。坐标原点O位于地心，XOY平面与地球赤道平面重合，OX轴穿过起始经线和迟到的交点， OZ轴与地球极轴重合，由图1可见，三条坐标轴从地心O出发，一直延伸至无穷，使全能容纳整个宇宙空间的坐标系。 2.1.2宇宙直角坐标系与地理坐标席的转换 空间任一点的地理坐标和宇宙直角坐标之间的关系，如图2所示 如果某点的经纬度和飞行高度，可用(1)式算出宇宙直角坐标系中的坐标X,Y,Z;反之已知某点的宇宙直角坐标系，可用(2)式计算出a,b和H来。 2.2GPS的基本工作原理 GPS属于无源测距系统，在无源测距系统中，用户通过比较接收到的卫星发射信号及本地参照信号，测量延时t,t正比于卫星和用户间距离D:D=Ct。GPS通过一颗卫星只能测到一个距离参数，所以测的三个距离参数至少需要三颗卫星才能确定飞机的三维位置。 Ri=cti(i=1、2、3) (3) Ri=(X-Xi)2+(Y-Yi)2+(Z-Zi)2)1/2 (4) 式中i表示第i颗卫星;x,y,z表示飞机的宇宙直角坐标;xi,yi,zi表示第i颗卫星的宇宙直角坐标。对于(3)、(4)式中,X、Y、Z为未知数，可以通过接收三个卫星的信号，列三个方程组求解。 当系统在无源方式工作，用户又未装备高稳度时钟时，用户从一颗卫星测得的伪距(Ri)可表示式为: Ri=cti+c?ti (5) Ri=(X-Xi)2+(Y-Yi)2+(Z-Zi)2)1/2 (6) 若所有卫星都采用高精度时钟，并且每个卫星钟相互同步，?ti=?t,距离表示为:Ri=fi(x,y,z,?t),此方程(6)中有四个未知量X、Y、Z、?t,求解此四个未知量,须建立四个独立的方程,这意味着用无源测距定位方法确定飞机的三维位置和一维时钟,在空间至少需要四颗卫星的信号,从四颗卫星测量的伪距从几何意义上讲,由四个伪距形成的四个位置面相交的交点,就是飞机四维空间的位置点.这样,采用无源测距定位时,用户只需采用一般的石英钟即可(图3)。 可见，GPS采用四星无源测距定位的实施步骤是: (a) 以卫星作为时空基准点; (b) 测量出定位参数时间，建立为直面或导航定位方程; © 求解用户位置。 3 GPS导航的特点 (a)GPS具有全球，全天候，连续导航的能力。系统能提供连续，实时的三维空间坐标，三维速度和精密时间，并具有良好的抗干扰性。 (b)GPS具有高精度。系统三维空间定位精度优于10m，三维速度精度优于3cm/s,时间精度为20到30ns。 (c)GPS能满足各类用户。系统可以用于铁路，航空，城市交通，农业，森林防火，地震预测，救援等。 (d)GPS具有多种功能。系统可以广泛用于导航，搜索，同心，交通管理，授时，航空摄影，大地测量等。 (e)GPS为连续输出，更新率高，一般为每秒一次，适用于高动态移动用户的定位; (g) GPS用户设备简单，购置费用较低。 4 GPS的应用 正是由于全球定位系统的以上优点，所以已经广泛用于诸多领域，在航空导航方面也得到普遍应用。 4.1典型的独立系统 目前看来,使用较多的还是作为独立导航定位的GPS接收机,如图4， 为一典型的GPS接收机,下面介绍飞行中的简单应用.系统接通电源,自检完毕后,进入正常工作,可以完成下列工作: 4.1.1用于导航显示 若用户已经启动了航路点或飞行计划模式,则是用直达键,将显示导航页面,飞行员还可通过旋转钮显示出:目的地航路点名称/方位/距离/航路估计时间、估计到达时间、航向/真空速/风向/风速、航迹/偏流,预计航迹/航迹角误差修正值，最小安全高度/最小航线安全高度、CDI显示/地速等。 4.1.2编排飞行计划 用户可在该系存储40个飞行计划,每个飞行计划可存40个航路点WPT。 当每一次按FPL时,出现图5页面,第二次按FPL时,出现有效飞行计划航段显示页面;安第三次,四次FPL时,分别出现是已存储的飞行计划的页面。 编排飞行计划时,按压FPL,出现.+.,分别在左侧输入第一个航路点标识,在右边输入结束航路点标识,按下ENT键即可. 启用飞行计划时,按压FPL后,在旋钮选择好所需航段,然后按两次D,进入航段并启动程序。 4.1.3计算时间及导航参数 使用CALC键进入计算模式,可完成三项功能: (a)飞行计划/燃油计算:主要包括燃油管理,时间,距离和速度的计算并显示当前飞行数据和信息; (b)大气数据计算:提供高度,大气数据和风向/风速计算; (c)存储当前位置. 4.1.4显示屏信号灯 当显示屏上信号灯燃亮时,用户可了解所提供的信息.当MSG灯亮时,表明有信息等待,可按压MSG键查阅信息;当GPS灯燃亮时,表明导航仪表进入航位推测状态;RAIM燃亮时,表明接收机完好性监控失效,这时可继续使用,但要监控导航信息的正确性;PTK(平行航迹)燃亮时,表明用户已选择了到当前航段的平行航迹;HLD燃亮时,提醒飞行员有效的飞行计划在当前有效航路点被推迟;APR燃亮时,表示所有进场要求都以满足。 4.2作为飞行管理系统的传感器使用 现在在波音、空客飞机上,已有部分安装了GPS,并与FMS一起作为重要的导航设备。 4.2.1GPS安装在飞机上的形式 有混合结构和独立结构两种形式。飞机安装有两个GPS天线,两个GPS传感器, 三个全球定位大气数据惯性基准系统,两个飞行管理引导系统的GPS能力。 4.2.2显示形式 在CDU和EFIS上可以显示:需求导航性能的选择,估计的位置误差,当前导航的精确性,GPS的主要状态,人工定位的更新,GPS位置和使用的卫星参数,图6。 4.2.3导航数据显示 在CDU上显示用于计算机自身位置的所有位置,以及当前的导航模式,图7。4.2.4GPS监控 通过CDU页面可以预测接收机自主完整性监控,参考使用,如图8。 4(3 GPS在西门诺尔飞机飞行中的运用 西门诺尔飞机上装载了两部GARMIN公司生产的GNS430导航组件，NAV1和NAV2，利用它可以进行GPS导航。 4(3(1编写飞行计划 在使用GPS进行航路上的定位，导航时，需要首先编写飞行计划，其包括两个步骤: (a)输入航路点数据:GNS430系统可存储1000个都通过“用户航路点”页面输入GPS，数据输入完毕后仔细较核。 (b)编写飞行计划:GNS430系统可存储20套飞行计划，每套计划最多可包含31个航路点。编写计划通过FPL页面依次输入航路点完成。 4(3(2在飞行中的具体使用 空中使用GPS主要用于定位，导航，测量风向/风速，利用GPS自带数据库进行导航等。 (a)定位:利用GPS定位一方面可以从地图页面上直接观看相关的位置，另外一方面也可以定出该点相对其他点的关系。 (b)导航:使用导航功能通常要先选定并激活飞行计划，然后将两部GPS分别设置导航默认页面和地图页面，这样一方面可以详细了解所飞航路段的导航数据，例如地速，时间，航迹，偏航距离等;另一方面又可直观形象的看到飞机即时位置相对整条航线或检查点的相应关系。如在广汉本场飞行训练中，在飞基线穿云这个科目时，进行GPS导航。在选取并激活本场程序后，选用地图页面，即能显示飞机即时所在位置，并根据航迹进行修正。在地图页面中对飞机所处位置及该如何修正一目了然，充分显示GPS导航的精确性和简易性。GPS导航还给飞行员提供了更方便的“直飞”模式，灵活熟练的掌握好“直飞”模式的使用方法，可以使飞行员处置一些特殊情况时做到游刃有余。 ©测量风向及风速:GPS的辅助页面提供了测量空中风的功能，通过简单的输入数据就可测得所在高空的风向风速，以便修正航迹。天气情况对飞行员来说是极其重要的，GPS不仅能够准确的提供导航信息，还能提供适量的天气信息，足以证明其功能的强大，以及在民用航空的重要性。 (d)利用GPS自带数据库:CNS430组件提供了功能强大，数据详细的数据库，包括许多机场及空域的信息，有通讯导航频率(VOR,DME,NDB),日出日落时等等，飞行中充分利用好该数据库，可以给飞行员提供许多方便。例如:飞行途中遇到特殊情况需要改变航向，这时调出“最近机场”页面，选定要去的机场，然后再按“直飞”键，并激活航线，此时飞行员可以根据提供的导航信息数据，方便的直飞该机场。在我们平时训练中，经常因为本场飞机多而要改变计划去空域，此时不管飞机所处什么位置，只要飞行学员在地图页面中选中德阳，利用“直飞”键便可以确定此时应该飞行的航向。并在第二部GPS中调出所需的空域并激活，便可以准确无误的到达该空域，然后在地图页面中所画出的空域范围进行训练。 4(3(3使用GPS导航时的注意事项 如果所飞航线段没有其他导航设备，则两部GPS都可以设置成GPS模式的，此时两部GPS之间可以互相检查，备份;如果所飞航路有VOR或VOR/DME台，则其中一部应选用VOR导航，这样做一方面可以互相备份，确保整个飞行中都有稳定可靠的导航信号，另一方面保证一但其中一套系统出现故障，飞行员可以及时发现，从而正确处置。在广汉本场的飞行训练中一般都使用以上的方法，以确保导航信息能够准确无误。 4(4 以GPS为主的导航优点 在飞行中，以GPS为主的导航在西门诺尔飞机的飞行中体现出的优点表现在: (a)改进了导航精度和完整性; (b)符合所需求的导航性能(RNP); ©可以不需要常规导航设备; (d)大幅度减小了地图变换带来的不便; (e)减少了机组工作量和负担; (f)自我监控功能监测GPS的工作; (g)完整性预测和告警。 5 GPS的偏差 GPS拥有以上这么多的优点，但是他还是存在一定的缺陷: (a)GPS卫星工作于L波段，电波入水能力差，不能用于潜艇导航; (b)GPS的完好性监测和报警能力不足,对卫星的一些软故障早在很长的时间后才能发出故障状态信息; ©整个系统维护费用高.每年大约需要5亿美元的维护费; (d)GPS的可利用星即所有地区的连续服务不足,某些时候在某些地方将出现少于四个卫星的情况。同时GPS还是存在一定的误差. 5.1GPS的偏差种类 GPS的误差主要是指GPS的定位误差，其实质是测距误差。引起测距误差的因素主要有下面几种: (a)空间卫星产生的，主要是星历误差和卫星时钟误差。 (b)信号传播过程中产生的，主要是电离层传播延时，对流层传播延时和多路径效应误差。 ©接收机产生的，主要有测量噪声。 这些误差按误差性质分，可分为系统误差和随机误差。GPS三种类型的误差中，除接收机本身的误差外，空间卫星和信号传播中的误差大部分可以采用差分技术进行实时或事后处理技术予以消除。 5.2差分GPS 差分技术很早就被人们所应用。它实际上是在一个观测站对两个目标的观测量，两个观测站对一个目标的观测量或一个观测站对一个目标的两次测量之间进行求差，其目的在于消除公共项。包括公共误差和公共参数。在以前的无线电定位系统中已被广泛的应用。 GPS是一种高精度卫星定位导航系统。在实验期间和开始使用阶段，它能给出高精度的定位结果，这时尽管有人提出利用差分技术来进一步提高定位精度，但由于用户要求还不迫切，所以这一技术发展较慢，随着GPS技术的发展和完善，应用领域的进一步开拓，人们越来越重视利用差分GPS技术改善定位性能。 5.2.1差分GPS消除误差的原理 在地面已知位置坐标(经，纬度)上设一地面站，地面站由一个GPS差分接收机和一个差分