全球定位系统及应用

第五章GPS在波音飞机中的应用本章介绍在B—737和B—777飞机上使用的GPS系统的工作原理和性能。5.1

应用于B—737飞机的GPS系统由地面路基设备辅助导航过度到导航是一个漫长的过程，就目前飞机状况和航空公司经济效益而言即要不使现有的设备全部淘汰，使一部分设备仍能有效的工作，又要利用导航这种具有许多优势的导航。许多飞机进行了GPS加装工作。其中B—737加装的GPS系统是一种很典型的系统，代表了当代飞机利用导航的主流方向。5.1.1

概述B—737飞机上的GPS是一种很典型的GPS/INS组合导航系统，它属于松散藕合系列，即GPS与INS仍独立工作，只是相互给以辅助。GPS主要由两个GPS传感器组件（GPSSU）以及两个无源天线组成。接收的载波频率为1575

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GPS5.1.2

部件介绍1.GPSSU

：GPS传感器组件，重5磅，安装在GPS天线旁的顶板上，它是一部具有数据处理器的L波段接收组件。它接收来自于天线的卫机。是整个GPS系统的星信号，搜索并 ，接收来自于IRS的数字式大气数据计算机（DADC），真空速计算机（TASC）的数据信息。并将GPS位置数据送往FMC进行数据计算。2.

天线

：

GPS天线从导航接收L波段的无线电信号。GPS天线小而平，大约0.75英寸厚，3英寸宽，5英寸长。天线底部有一个同轴线接插件，到GPSSU的同轴电缆长度限制在信号损耗最小的范围内。天线有5度的屏蔽角是用来 地平线下5

度 的信号，为防止多经效应，天线设计成可接收正确极化的信号并

反射信号。5.1.3

B—737

GPS

工作原理及工作模式运用于B—737的GPS是典型的GPS/INS松散综合。GPS给IRS传递位置数据来校正惯导，同时也接受IRS来的位置数据作为参考。IRS与GPS同时将信息传送给FMC在FMC中进行最后综合位置的确定。工作模式1.

自检模式：该模式是在GPSSU完成的。当电源接通时自检自动进行。检查它回路是否工作正常。若不正常，进入故障模式。2.

初始化模式：自检通过后，进入初始化模式，GPSSU中信号处理器由IRS来的有效的精度，纬度，高度进行初始化，无导航数据输出。这一模式将持续30秒。3.

搜索模式：在该模式中，GPSSU搜索并信号。GPSSU必须搜索到至少四颗

可见，并搜索这些

，当IRS位置数据无效时，。这大约需10分GPSSU独立搜索所有可见的钟。1

通电源辅助柲式白捡棱式故樟校式丰刀女台4七移年式疫索柲一式＠导航模式＠是否干5

度有助是工作模式4.导航模式：

GPSSU在搜索并锁定至少四颗卫星后，进入导航模式。在该模式GPS

，并连续实时地提供位置，速度，时间信息等。这些信息被送往FMCS

，在FMCS中进行最后的位置综合，同时这些信息送往IRS对惯导进行校准。5.

高度辅助模式：当GPSSU不能到至少四颗或的或者发生失锁时，GPS进入高度辅助模式。在该模式，只有三颗可见，GPS便将IRS的惯性高度作为第四个参考，进行计算，得出连续的导航信息。当重新又到至少四颗时，进入导航模式。工作模式6.辅助模式：

当短期内，

被遮盖，失去信号时，GPSSU进入辅助模式。GPSSU从IRS接收高度，地速，飞行轨道等数据。GPSSU用这些数据进行连续地导航数据计算，若在30秒内还不能跟踪到足够数量的

，便进入搜索模式。7.故障模式：若出现关键故障，GPSSU进入故障模式，该模式的导航数据无效，GPSSU将不在起作用，另一个GPSSU继续为FMCS提供导航数据。GPSSU工作原理前置放大器是宽带低噪载频放大器，用来改善信噪比。信号通过前置放大器，进入和数模转换器，在这个部分，信号被转换成中频信号并且完成数模转换。在初始化模式，导航处理器由IRU得来位置数据，计算出哪几颗管理中

有每个可见。任何时刻在它的轨道的位置的星历和相应的码。导航处理控制管本地码，这样便确定了使理输出相应用哪几颗的。GPSSU工作原理从

来的

信号和

管理器来的本地信号在相关测量中进行相关运算，即不断移动τ在时间轴上的位置，直至

τ=0

，这便是搜索模式，

已被锁定。进入导航模式后，由相关测量测出的时间τ被送往导航管理。利用伪距定位解算方算出

的位置数据，连续不断地送往IRS和FMC等。GPSSU工作原理初始化模式中若IRS数据无效则导航处理控制

管理顺次地将

数据送出，与接收信号进行相关计算，直至搜索到所有可见

，再继续选择用哪几颗

。在飞行过程中若

信号失锁，导航处理便接收由IRU来的数据，进行连续计算，直至重新

到足够的

或重新进入搜索模式。GPSSU工作原理导航处理控制的搜索，测量时间，确定信号的有效性并计算位置数据。导航处理中的卡尔曼滤波器不断计算现时测量值和基于上次测量置的现时估计值间的残差，这个残差可用在下次的数据更新中。GPSSU工作原理在导航处理中有一个BITE

（

Built-in

Test

Equipment)自检装置。它可以连续地检测信号及数据的完整性。当检测到关键错误时，便告警。它起到了RAIM的作用，因此这部GPS系统是一部具有RAIM的GPS/INS

松散综合的导航系统。GPSSU工作原理GPSSU还接收来自ADC的气压高度，作为

GPSSU中的高度变量的参考。B—737飞机上需使用惯导系统，因此从实际需求和经济效益出发，作为

计划过度的第一部将GPS与IRS结合起来是非常有效的。GPS和IRS互相辅助，并可独立工作，这样不仅单个系统功能齐全而且对每一部分系统要求不很高，即可达到所需要求又可降低成本。因此是非常适用且典型的一种GPS系统5.2

应用于B—777上的GPS系统5.2.1

概述B—777

飞机上使用的GPS系统同样是GPS/IRS组合的系统。GPS利用ADIRS

（Air

Data/InertialReferonceSystem)大气数据/惯性基准系统来的数据进行初始化及辅助计算。ADIRS利用GPS数据进行内部校准.GPS数据与IRU数据在AIMS（AircraftInformation

Managemennt

System)中由FMCF进行综合计算，得出飞机位置。5.2.2

部件1.天线

：

B—777上使用的GPS系统，包括两个有源天线，天线 具有前置放大器。两部GPS天线小而平安装在机身上部。天线

阻抗为50Ω

。2.

多模式子舱（MMR）：两部MMR安装在电115V交流电源。MMR从天线接收机信号，从AIMS的FMC中接收IRS信息，并将GPS数据传送给AIMS

，再由AIMS传送给其它系统。同时给AIMS提供时钟脉冲。左CMCS信息右CMCS信息IJ．星信兮屯沥GPS数据时钟脉冲IRS信息IRS信息FMCF信息FMCF信息左AIMSF

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B—777

GPS工作原理及模式1.

搜索模式：MMR从FMCF接收数据。包括位置，速度，时间，日期等信息。MMR利用FMCF来计算哪一颗

可见并的信号。这大约帮助MMR捕获所确定需要75秒。当AIMS中FMCF数据失效时，MMR仍可得到

信号，但必须搜索到所有的

信号。一旦发现信号，MMR便判断哪几颗可用，这一过程大约需4～10分钟。GPS工作原理及模式2.

导航模式

：

在搜索模式锁定住4颗

后，MMR进入导航模式开始计算GPS数据。3.

高度辅助模式

：

当有四颗

被锁定时，MMRGPS高度与ADIRS惯性高度间的差值，当只有三颗了可见时，MMR进入高度辅助模式。它利用所 的差值来修正ADIRS惯性高度，作为GPS计算中第四个变量。进行计算。只有当满足了下面这三个条件，MMR才能进入高度辅助模式。（1）处在导航模式中。（2）只有三颗（3）MMR可见。了ADIRS高度与GPS高度间的差值。GPS工作原理及模式4.

辅助模式

：

当

被短期覆盖时，

几何构图不好时，MMR进入辅助模式。在该模式MMR以AIMS中的FMCF中得到高度，航向，速度等数据。一旦恢复至少四颗

可见，MMR马上回到导航模式，若在30秒内MMR还时不能回到导航模式便进入搜索模式。接通电源辅助投式搜索模式＠否是是高度辅助投式是否图5-6

B-777

飞机GPS

系统T

作模式流程图GPS

工作原理天线接收到的信号经低噪放大器后，混成为中频信号，进入

。并完成模数转换， 的搜索 ，全部在微处理器中完成。MMR通过AIMS接收来自于IRS的信息用来进行初始化，辅助模式及高度辅助模式。微处理器通过计算给出GPS数据，这些数据被送往AIMS中的FMCF进行位置的综合计算。MMR

有自检装置，一旦检测到故障，立即向AIMS

，MMR

具有RAIM

，它监测MMR所用

状况。MMR向FMCS输出对GPS位置误差的估计。FMCF利用RAIM决定它是否可以利用GPS数据进行计算。MMR

的BITE

电路，接收来自CMCS的检测命令和要求，对MMR进行连续不断地监测，其结果存入非易失性器。5.3波音飞机的两种GPS系统比较波音系列所装的GPS系列其主导思路是一

致的。都是利用现有的惯性系统加以GPS

。IRS数据用来作GPS系统的辅助参考信息。

GPS数据用来校正惯导，而IRS数据和GPS数据送往FMC进行综合位置计算。r-;－，－－一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一T;I，l

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