機載GPS技術在民用系統(tǒng)的應用-實用篇

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 全球定位系統(tǒng)（GPS）是美國以空間為基地的無線電導航系統(tǒng)，任何人只要有一個接收機，這個系統(tǒng)就可以為他提供準確的位置和時間信息 。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。GPS衛(wèi)星從空間發(fā)射可由接收機收到和識別的信號。每個接收機可以給出三維位置（經(jīng)度，緯度和海拔）外加時間。 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，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(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，太陽能接收板長度約 17 呎，于 1994 年完成第 24 顆衛(wèi)星的發(fā)射。GPS是美國全球戰(zhàn)略的重要組成，經(jīng)過20余年的研究實驗，耗資300億美元。背景知識 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)星導航服務，滿

3、足航空用戶的許多要求。以空間為基地的定位和導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，到機場的地面導航。 GPS還是一些其他航空系統(tǒng)的關鍵組成部分, 例如增強型近地警告系統(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性，而這是造成很多飛機失事的主要原因。系統(tǒng)組成及部件位置757-200飛機GPS（“用戶接收機”）包括：2個天線2部MMR（多模式接收機）l天線阻抗50歐姆l內(nèi)置GPS接收機組件lL波段接收機l存儲器內(nèi)有衛(wèi)星歷書（簡稱星歷），是衛(wèi)星軌道參數(shù)與瞬間坐標的數(shù)據(jù)集合（任何時間衛(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觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置(X,Y,Z)。考慮到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經(jīng)緯度和高程。 事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機可按衛(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)星運行軌道

5、、衛(wèi)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護政策，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，建立基準站(差分臺)進行GPS觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數(shù)，并對外發(fā)布。接收機收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。實驗表明，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）2. 初始化（自檢通過后）3. 截獲方式（若有IRS位置數(shù)據(jù)可快速確認在當前位置可觀測到的衛(wèi)星，若無則需10分鐘左右；截獲并鎖定4顆以上衛(wèi)星后進入導航方

6、式輸出實時位置、速率、加速度、時間等導航數(shù)據(jù)）4. 高度輔助方式（跟蹤衛(wèi)星僅3顆時，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，在30秒內(nèi)，使用IRS高度、航跡、地速繼續(xù)導航數(shù)據(jù)的計算，此為輔助方式；30秒后，停止輸出導航數(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到故障）系統(tǒng)圖L：系統(tǒng)圖R：A-GPS 背景知識 A-GPS，通訊輔助，通訊輔助GPS系統(tǒng)，系統(tǒng)，是在通訊系統(tǒng)的基礎上，加上A-GPS服務器等組成。A-GPS服務器有一個參考的GPS接收器，它面對空曠的天空，接收和用戶接收機同樣的GPS衛(wèi)星信號，并計算出相關輔助信息，通過CDMA

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