GPS全球定位系统.docx

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GPS全球定位系统

GPS全球定位系统

一、功用

GPS系统用来确定飞机的当前位置，进行飞机的精确导航。

二、系统组成

我部的GPS系统有两种不同的型号，34N型飞机的是波音公司所装的S242T104型，3T0和33A型飞机是后加装的Trimble2101I／0型。

三、34N飞机的GPS

1、34N型飞机装有两部GPS系统，每部由接收机、天线、显示器和故障警告组件组成。

2、GPS系统向飞行管理系统提供飞机当前位置，位置信息显示在FMCCDU中，故障信息显示在IRU警告组件中。

3、驾驶舱中部件位置

3、接收机和天线的位置

4、GPS的位置指示

5、当GPS有故障时，在IRU的控制面板上有一警告灯，在两个GPS都故障时，灯会自动亮。

当只有一部GPS故障时，按压P7板的主警告告示牌，灯会亮，两部都正常时，按压P7板的主警告告示牌灯不亮。

四、3T0和33A型飞机的GPS

（一）、GPS由一部接收机、两个天线和一个显示器组成。

由于它们的GPS系统是后加装的，因此相对于飞机的其它导航系统是独立的。

部件的安装位置如下：

1、GPS接收机——中央操纵台

2、天线——左右3号风档内侧各一个

3、显示器——3T0飞机在P7板上方，33A飞机在P9板中间

（二）、GPS接收机

GPS接收机由处理器和显示控制面板组成。

电源开关位于显示控制面板的右上方，顺时针转到“ON”位置，接通导航仪电源，反时针转则关闭电源。

显示控制面板由一个两行LED显示器和各功能键组成。

（三）、显示控制面板

LED显示器可显示两行字符。

选择不同的方式显示不同的内容。

例如：

在NAV（导航）方式下工作时，上一行显示飞往机场的代号、方位、距离和预飞行时间。

下一行显示偏航指示、航迹角和地速。

LED显示器可根据外界光线的强弱自动调节亮度。

1、方式键

方式键有6个，用于确定导航仪的工作方式。

当键按下时，键上指示灯亮，表示导航仪已进入所选工作方式。

（1）、NAV导航方式键

当键被按下时，用来查看所选航路沿途的导航信息和位置信息（如飞向机场、方位、距离、预飞时间、航迹、地速和偏航指示／航迹角误差）

（2）、WPT航路点方式键

用于读取JEPPESEN数据卡、输入用户航路点和查看航路点的信息（航向、距离、跑道、名称、频率和位置等信息）。

（3）、FPL飞行计划方式键

用于调用、取消、查看现行飞行计划及建立、编辑、删除和存储飞行计划。

（4）、CALC计算方式键

用于燃油和大气数据（垂直导航、风向、风速）的计算，还可以计算和存储飞机现在位置。

（5）、AUX辅助方式键

用来查看专用检查单（用户资料、常用频率等）、差分GPS调谐（通道、机场、跑道、进近、超短波数据链等调谐）、系统状态信息（日期、时间、现在位置、系统工作情况、数据库及软件的修改）、传感器状态信息（精确度、跟踪卫星数、卫星数据等）、配置情况和用户设定信息。

（6）、NRST求近方式键

用来查看20个最近的机场、进近、VOR、行管机构、NDB、交叉点和用户航路点信息。

上述每一按键都有一个或多个方式，方式名称显示在两个星型符号之间。

一种方式有一个或多个数据页。

数据页显示有关导航仪的状态信息，也可显示某些可被编辑的数据区。

在数据页上有可能显示出附加的信息。

附加信息被显示在读页的上行或下行或被显示在第2数据页上。

2、功能键

导航仪面板上有3个功能键，用于执行特殊功能。

当功能键被按下时，键的指示灯亮表示系统已进入所选功能。

（1）、直飞键

用来更改飞行线路，可直接飞向所选的航路点。

还可用来执行某行计划。

（2）、信息键

用来查看系统信息。

当MSG信息灯闪烁时表示有新的信息，信息灯一直亮表示是老信息。

新老信息均可通过反复按压该键来显示。

（3）、输入键

用来输入、选择、更改和确认数据。

该键一般与选择钮配合使用。

3、选择钮

该选择钮为内外双层结构（内层小钮和外层大钮），用于控制LED信息显示，内层小钮，用来改变显示器上一行显示的信息，或用来改变光标区的数据。

外层大钮，用来改变显示器下一行的信息或用来移动数据区内的光标。

各工作方式通常含有多个数据页，转动内层小钮可将数据页依次显示出来。

如果当前的数据页还有相关的附加信息，则可转动外层大钮使附加信息显示在该页的另一行，或被显示在第二数据页上。

该钮还用来输入数据。

内层小钮选择数据，外层大钮移动光标。

当出现“〈〉”尖括号符号时，其括号内的数据可用内层小钮直接编辑。

4、指示灯

在LED显示器的下方有5个用英文字符表示的信息指示灯。

它们只有在点亮时才能被看见。

（1）、MSG信息指示灯

在有信息要查看时闪亮，当所有信息都查看后，灯停止闪亮。

如果导致该灯亮的条件仍然存在，它就常亮。

如果导航仪与机上音频系统连接，每当灯亮时，会伴随有“嘟嘟”的声响。

（2）、WPT航路点指示灯

用来提醒飞行员飞机已到达有效航路点。

当飞机即将到达航路点时，该灯提前一段时间点亮（其提前时间用户可以设定，工厂设定值为10秒）。

当飞机通过航路点一分钟后灯灭。

（3）、PTK平行航迹指示

在你已选定了一条平行于现行航段的航迹时亮。

此时按压MSG信息键即可查看所选定的偏置量。

（4）、LD：

保持指示灯

该灯亮时提醒飞行员，现行的飞行计划和进近方式暂时被停止执行。

（5）、PR进近指示灯

在飞到最后进近点2海里处，且所有的进近要求都已满足时该灯亮。

5、Jeppesen杰普逊导航数据卡插槽

该导航仪面板下方有一个导航数据卡插槽，用来连接导航数据卡。

导航数据卡是杰普逊导航数据服务公司提供的。

它是一个完善的电子导航数据库汇集了世界范围内的机场资料、进近资料、标准仪表离场资料、标准终端进场航线资料、伏尔台资料、无线电信标台资料、交叉点和空域资料。

导航仪随机带有一个当月的数据卡，数据库每28天更新一次，要注意卡的截止日期。

当数据库数据过期时，导航仪会提示用户。

（四）、天线

GPS接收机有两部天线，分别装在3号风档内侧，通过一个三通转接到接收机后面的天线接口，三通安装在P6—1板后上方。

（四）、GPS显示器

在3T0飞机上显示器安装在P7板上方，而在33A飞机则安装在P9板中间。

在显示器的上有一个电源开关，拔出时电源接通，按下电源关断。

当接通电源开关后，显示器内部进行自检，几秒种后自检完成，导航数据显示区如下图显示（在没有输入飞行计划时）

（五）、GPS接收机系统连接图

四、全球定位系统定位原理

全球定位系统（简称GPS）是以24颗悬在20，200公里高空、沿地球轨道运行的卫星基础构成的导航系统。

该系统是由美国国防部建立并进行日常维护的。

GPS可以每天24小时提供精确在50英尺（15米）内的三维位置。

GPS的基本原理是卫星测距。

通过测量距太空一组卫星距离，来计算出一个位置。

如果知道我们距卫星A的距离为11，000英里，那么我们一定位于以该卫星为中心、11，000英里为半径的一个假想圆球的某一点上，。

如果我们同时还知道我们离卫星B的距离为12，000英里，那么，我们一定位于两个圆球相交的这个圆上。

如果我们还测量到我们离卫星C的距离是13，000英里，我们的位置就会进一步的限制到三个圆球相交的两个点上。

三次测量结束，可以确定我们位于两个点中的其中一个这两个点中的一个点通常是很荒谬的，不可能与地球接近，（例如，一个点在遥远的太空中）。

GPS接收机中利用各种技术来辨别哪一个点正确，哪一个点不正确。

从理论

上讲，我们所需要用确定飞机位置的就是这三个测量（离三个卫星的距离）。

测量我们与卫星距离的基本原理是我们大家在中学学过的“速度X传播时间”公式：

距离=速度X时间

GPS就是利用此原理，首先计算从卫星上发出无线电信号到达我们的时间，然后根据这一时间计算出卫星离我们的距离。

我们已知无线电波以光速186，000英里／秒传播，而如果我们又能够精确计算出GPS卫星开始发射无线电信号的确切时间，以及我们收到该信号的确切时间，那么，我们就可以计算出该信号到达我们这里用了多少时间。

时间以秒为单位乘以18，600英里／秒就可以算出卫星里我们的距离。

这样计算出距三个卫星的距离，就可以得到我们的位置。

那么，GPS接收机是怎样来测定信号离开卫星的精确时间的呢?

GPS的设计者为GPS接收机制作了一个很聪明的办法：

使卫星和接收机在时间上精确同步，并同步产生相同的代码，然后，把接收到卫星的代码与接收机产生的相同代码进行比较，并回头看接收机是多长时间之前产生相同代码的，卫星代码比接收机代码的迟后时间就是信号到达我们所需的时间。

当GPS接收机计算出发射信号和收到该信号之间所用的时间后，将此计算的时间带入上述的公式中，就会得出我们距卫星的距离。

当然，这些测量必须有非常精确时钟来同步。

我们知道光速是186，000英里／秒，如果卫星与接收机同步误差1／100秒，则距离误差就是1860英里。

因此，卫星上安装了非常精确的原子钟，其精确度可以达到十亿分之一秒，但是，其价格是难以想像的，每台大约10万美金。

并且，每个卫星装有4台这样的子钟，以确保系统准确运行。

但是，这对于GPS接收机来讲是无法实现的。

幸运的是，三角学告诉了我们：

如果三个精确测量确定了三维空间的一点，那么，四个不精确的测量就可以抵消掉任何的时钟误差（如果这一误差恒定）。

因此，在GPS接收机内使用了普通精度的时钟，也可以达到精确的测量。

那就是通过增加额外一次卫星的测量，来消除时间上的误差。

举个例子对该理论进行解释。

为了使之简单化，我们用一个二维的例子。

比如说海上的一条船，海拔高度是已知的，如果我们的钟是精确的话，那么，

只需要两次测量就可确定我们在地球表面上的确切位置。

这第三次测量就是“额外”的一次。

但我们的接收机时钟并非那么精确，它快了一秒。

则认为从卫星A发出的信号用了5秒钟到达我们这里，而从卫星B发出的信号用了7秒钟。

这样我们的接收机就会认为我们处于两条粗线相交处XX点，而此处可能离我们的实际位置有几英里远。

现在，我们增加第三次测量进行计算。

从卫星C发出的信号用了8秒到达我们这里。

从图中我们可以看出，三条细线的相交处X点就是我们实际所处的位置。

但是，别忘了我们的时钟存在一秒的偏差，我们的GPS接收机认为从卫星C发出的信号用了9秒才到达我们这里。

从图可以看出，三条粗线圆没有唯一的交点，我们的位置有3种可能性。

图中用粗线圆表示的距离是时钟存在一秒钟误差的情况下测量出来的，我们把这种距离称作“伪距”。

GPS接收机是怎么知道时钟存在误差呢?

它又是怎么去校正时钟误差的呢?

GPS接收机内部设定有时间同步校正程序。

当它连续得出的测量数据都不能相交唯一点时，就认为时钟同步出现了误差。

于是接收机就给所有测量数据减去或加上一秒的距离，直到使三个圆相交于一点，此时，接收机认为时钟达到了同步，三个圆相交于的点就是我们的实际位置。

实际上，接收机并不是无目的的搜索结果，计算机是应用大家熟悉的“解四元方程”的数学方法，能很快的计算出时钟误差，这与增加一个卫星的测量数据就能抵消时钟存在的固定误差的概念是一致的。

假如我们的飞机在三维空间内飞行，必须要4个测量数据来消除时钟误差。

这就意味着在我们的上空要有4个卫星才能确定一个真正精确的位置。

若24个卫星中出现了不健康的卫星，可能在我们的上方会有少于4个卫星的情况。

此时，应使用高度编码器上提供的高度或人工输入的高度，接收机允许继续以不完全精确的方式进行定位。

GPS系统中还有其它几种小偏差。

卫星的高度、速度和位置可能会有些微小的变化。

美国国防部监控这些变化，并把校正值发射给卫星，由卫星将校正值同伪随机码一起播发出去。

其它的变化可能是由电离层或大气层的延迟引起的。

另一个可能的偏差是由“几何减弱精确度”造成的，就是说，当卫星靠得很近时，两个区域的相交点的精确度就会稍为有所减弱。

通常这一偏差数的总和不会超过100英尺·（30米）；最坏也不会超过200英尺（70米）。

差分GPS是GPS的一种高级形式。

它可以使测量精确到厘米。

其基本原理是在我们已知的准确的位置上安装一部GPS接收机，通过接收机计算的位置与已知位置进行比较，得到一个误差数据，并通过VHF数据链将此误差数据作为误差修正信息传送给本地区上空的其它GPS接收机，以修正其位置误差。

因为GPS卫星很高，它对于相同地区的接收机所产生的误差基本上是相同的，故差分GPS接收机的修正因子完全可以消除其它接收机的位置误差。

差分OPS可为飞机的精密进近、进场／离场提供高精度的导航数据。

它还应用在勘探、测绘等位置精度要求较高的场合。

五、GPS工作流程

GPS接收机有四种工作模式，截获方式、导航方式、高度方式和高度辅助方式。

当接收机加上电源，既进入截获工作方式，这时卫星自动搜索是否有四颗有效的卫星。

这个时间大约需要十分钟。

当接收机搜索到四颗有效卫星后，就进入导航方式。

在此方式工作时，接收机始终监视是否有四颗有效卫星，如果探测到有只有三颗卫星，则接收机进入高度和高度辅助方式工作。

这时如果有从ADC来的高度信号，则工作在高度辅助方式。

同时在高度方式，接收机始终在监视是否接收不到卫星信号，如果超过30秒，则接收机重新进入截获方式工作。