機(jī)載GPS技術(shù)在民用系統(tǒng)的應(yīng)用-實(shí)用篇

1、全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)GLOBAL POSITIONING SYSTEMA-GPS 通訊輔助通訊輔助GPS系統(tǒng)系統(tǒng) 背景知識(shí) 全球定位系統(tǒng)（GPS）是美國(guó)以空間為基地的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，任何人只要有一個(gè)接收機(jī)，這個(gè)系統(tǒng)就可以為他提供準(zhǔn)確的位置和時(shí)間信息 。GPS由三部分組成：圍繞地球的衛(wèi)星；地面上的監(jiān)控站；以及用戶擁有的接收機(jī)。GPS衛(wèi)星從空間發(fā)射可由接收機(jī)收到和識(shí)別的信號(hào)。每個(gè)接收機(jī)可以給出三維位置（經(jīng)度，緯度和海拔）外加時(shí)間。 該系統(tǒng)的空間部分使用 24顆高度約 2.02 萬千米（10900海里）的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。 21顆工作衛(wèi)星及3顆備用衛(wèi)星均為近圓形軌道，分布在六個(gè)軌道面上（每軌道面

2、四顆），軌道傾角為 55 度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時(shí)間都可觀測(cè)到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?GPS 衛(wèi)星由 Rockwell International 制造，在軌道上重量約1,900 磅，太陽能接收板長(zhǎng)度約 17 呎，于 1994 年完成第 24 顆衛(wèi)星的發(fā)射。GPS是美國(guó)全球戰(zhàn)略的重要組成，經(jīng)過20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資300億美元。背景知識(shí) GPS工作頻率1575.42/1227.6兆赫，其中1575.42兆赫為商用頻率。 在航空領(lǐng)域，由于GPS的精確性、連續(xù)性和全球的性能，GPS可以提供完美的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，滿

3、足航空用戶的許多要求。以空間為基地的定位和導(dǎo)航可以在飛行的所有階段確定三維的位置，從起飛、飛行和降落，到機(jī)場(chǎng)的地面導(dǎo)航。 GPS還是一些其他航空系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分, 例如增強(qiáng)型近地警告系統(tǒng)（EGPWS）就已經(jīng)被證明可以成功地減少飛行撞擊地面的危險(xiǎn)性，而這是造成很多飛機(jī)失事的主要原因。系統(tǒng)組成及部件位置757-200飛機(jī)GPS（“用戶接收機(jī)”）包括：2個(gè)天線2部MMR（多模式接收機(jī)）l天線阻抗50歐姆l內(nèi)置GPS接收機(jī)組件lL波段接收機(jī)l存儲(chǔ)器內(nèi)有衛(wèi)星歷書（簡(jiǎn)稱星歷），是衛(wèi)星軌道參數(shù)與瞬間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)集合（任何時(shí)間衛(wèi)星在軌道上的位置）l第3頁顯示左右GPS位置另1：GPS警告信息顯示在CDU便簽行

4、和EICAS（L GPS、R GPS、GPS）另2：傳感器頁報(bào)告GPS OK/FAILGPS顯示：GPS原理 由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測(cè)中，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置(X,Y,Z)?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。 事實(shí)上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時(shí)，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。 由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道

5、、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差，大氣對(duì)流層、電離層對(duì)信號(hào)的影響，以及人為的SA保護(hù)政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技術(shù)，建立基準(zhǔn)站(差分臺(tái))進(jìn)行GPS觀測(cè)，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測(cè)值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對(duì)外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。實(shí)驗(yàn)表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。 GPS工作方式 1. 自檢（上電時(shí)）2. 初始化（自檢通過后）3. 截獲方式（若有IRS位置數(shù)據(jù)可快速確認(rèn)在當(dāng)前位置可觀測(cè)到的衛(wèi)星，若無則需10分鐘左右；截獲并鎖定4顆以上衛(wèi)星后進(jìn)入導(dǎo)航方

6、式輸出實(shí)時(shí)位置、速率、加速度、時(shí)間等導(dǎo)航數(shù)據(jù)）4. 高度輔助方式（跟蹤衛(wèi)星僅3顆時(shí)，使用IRS慣性高度與地球半徑之和作為第4星距）5. 輔助方式（跟蹤衛(wèi)星少于3顆時(shí)，在30秒內(nèi)，使用IRS高度、航跡、地速繼續(xù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的計(jì)算，此為輔助方式；30秒后，停止輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)，回到截獲方式尋找衛(wèi)星）6. 故障（自檢失敗或工作中探測(cè)到故障）系統(tǒng)圖L：系統(tǒng)圖R：A-GPS 背景知識(shí) A-GPS，通訊輔助，通訊輔助GPS系統(tǒng)，系統(tǒng)，是在通訊系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加上A-GPS服務(wù)器等組成。A-GPS服務(wù)器有一個(gè)參考的GPS接收器，它面對(duì)空曠的天空，接收和用戶接收機(jī)同樣的GPS衛(wèi)星信號(hào)，并計(jì)算出相關(guān)輔助信息，通過CDMA

7、、GSM、無線互聯(lián)網(wǎng)等無線通訊網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送給終端用戶。 AGPS工作原理： a. AGPS終端（如：手機(jī)等）將自身的基站地址通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿恢梅?wù)器； b. 位置服務(wù)器根據(jù)該終端的大概位置傳輸與該位置相關(guān)的GPS輔助信息（包含GPS的星歷和方位俯仰角等）到終端； c. 終端AGPS模塊根據(jù)輔助信息（以提升GPS信號(hào)的第一鎖定時(shí)間TTFF能力）接收GPS原始信號(hào)； d. 終端在接收到GPS原始信號(hào)后解調(diào)信號(hào)，計(jì)算終端到衛(wèi)星的偽距（偽距為受各種GPS誤差影響的距離），并將有關(guān)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿恢梅?wù)器； e. 位置服務(wù)器根據(jù)傳來的GPS偽距信息和來自其他定位設(shè)備（如差分GPS基準(zhǔn)站等）的輔助信息完成對(duì)GPS信息的處理，并估算該終端的位置； f. 位置服務(wù)器將該終端的位置通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)蕉ㄎ痪W(wǎng)關(guān)或應(yīng)用平臺(tái)。A-GPS 背景知識(shí) A-GPS系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)：1. 大大縮短首次定位時(shí)間A-GPS服務(wù)器內(nèi)部的GPS接收機(jī)能計(jì)算出衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻偏，并將該多普勒頻偏信息發(fā)送給終端用戶手持GPS接收機(jī)，這樣手持GPS接收機(jī)的搜索范圍大大減少，只對(duì)很少的幾個(gè)頻率區(qū)（Frequency bins）進(jìn)行搜索，首次定位時(shí)間（TTFF）也就可以減小到只有幾秒。而傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)要在整個(gè)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行搜索。 2. 提高接收機(jī)的靈敏度。 手機(jī)GPS快速定位操作方法1. （執(zhí)行GPS導(dǎo)航軟件前）開啟