浅谈GPS的工作原理及其在飞机上的应用

墨　麦　Ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７１—１０４１．２０１３．０１．０２７　浅谈Ｇ　ＰＳ的工作原理及其在飞机上的应用　

日经验窒逾日　

肖青　（中国民用航空飞行学院机务处，广汉６１８３０７）　

摘要：ＧＰＳ为航空器提供了精确的导航功能，运行非常可靠，极大地加强了航空器飞行方位的精确性及可靠性。本文主要介　绍了ＧＰＳ的组成以及工作原理，以学院ＳＥＭＩＮＯＬＥ　ＰＡ４４．１８０飞机为例，阐述了ＳＥＭＩＮＯＬＥ飞机上的ＧＰＳ应用。　关键词：定位；卫星；监控；接收机；ＳＥＭＩＮＯＬＥ　中图分类号：Ｖ２４１　文献标志码：Ｂ　

Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＧＰＳ　

ＸＩＡＯ　Ｑｉｎｇ　（Ｃｉｖｉｌ　Ａｖｉａｔｉｏｎ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　Ｄｅｐｔ，Ｇｕａｎｇｈａｎ　６１８３０７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｇｌｏｂａｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ（ＧＰＳ）ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ　ａｐｐｅａｒｓ，ｉｔ　ｐｌａｙｓ　ａ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｆｏｒ　ｃｉｖｉｌ　ａｖｉａｔｉｏｎ．Ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ａｉｒｃｒａｆｔｓ，ｅｎｓｕｒｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＧＰＳ　ａｎｄ，ａｎｄ　ｗｉｔｈ　ＳＥＭＩＮＯＬＥ　ＰＡ４４－１８０　ａｉｒｃｒａｆｔ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｅｘｐｏｕｎｄｓ　ＧＰＳ’Ｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＳＥＭＩＮＯＬＥ　ｐｌａｎｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ；Ｉｏｃａｔｉｏｎ；ｓａｔｅｌｌｉｔｅ；ｍｏｎｉｔｏｒ；ｒｅｃｅｉｖｅｒ；ＳＥＭＩＮＯＬＥ　

Ｏ引言　随着科学的日益发展，民用航空对导航的要求也Ｅｌ益　提高，飞机如果没有导航的作用，就会在空中完全迷失方　向。美国的全球定位系统（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ，Ｉ￣ＧＰＳ）　导航出现后，对于民用航空具有非常重要的作用【１］。ＧＰＳ是　美国从本世纪７Ｏ年代开始研制，历时２０年，耗资２００亿美　元，于１９９４年全面建成，具有海、陆、空全方位实时三维导　航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统　］。ＧＰＳ不仅　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，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　】。　

１　ＧＰＳ卫星星座　由２１颗工作卫星和３颗在轨备用卫星组成的ＧＰＳ卫星　星座，记作（２１＋３）ＧＰＳ星座。２４颗卫星均匀分布在６个轨道　平面内，轨道倾角为５５度　，各个轨道平面之间相距６０度，　即轨道的升交点赤经各相差６０度。每个轨道平面内各颗　卫星之间的升交角距相差９０度，在两万公里高空的ＧＰＳ卫　星中，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相　应卫星超前３Ｏ度，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕　地球运行二周，即绕地球一周的时间为１２恒星时。这样，对　于地面观测者来说，每天将提前４分钟见到同一颗ＧＰＳ卫　星。位于地平线以上的卫星颗数随着时问和地点的不同而　

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不同，最少可见ｇｌＪ４颗，最多可见到１１颗。在用ＧＰＳ信号导　航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观Ｎ　ｒ］４颗ＧＰＳ卫　星，称为定位星座。这４颗卫星在观测过程中的几何位置分　布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测　得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时　间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天　候、高精度、连续实时的导航定位测量。　２地面监控系统　

对于导航定位来说，ＧＰＳ卫星是一动态已知点。星的　位置是依据卫星发射的星历——描述卫星运动及其轨道　的参数算得的。每颗ＧＰＳ卫星所播发的星历由地面监控系　统提供。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否　一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控　制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一　时间标准——ＧＰｓ时间系统。这就需要地面站监测各颗卫　星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星　再由导航电文发给用户设备。ＧＰＳ３２作卫星的地面监控系　统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。　３　ＧＰＳ信号接收机　ＧＰＳ卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共　享的信息资源陆地、海洋和空间的广大用户必须拥有能够　接收、跟踪、变换和测量ＧＰＳ信号的接收设备，ＮＪＧＰＳ信号　接收机。ＧＰＳ信号接收机能够捕获按一定卫星高度截止角　所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所　接收到的ＧＰＳ信号进行变换、放大和处理，以便测量ＧＰＳ　

垦　！：　Ｑ　Ｑ　盥　：　７５　日经验窒逾日　信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译ＧＰＳ卫星所发　送的导航电文，实时计算测站的三维位置、速度和时间。　接收机硬件和软件及ＧＰＳ数据的后处理软件包构成完　整的ＧＰＳ用户设备。ＧＰＳ接收机的结构分为天线单元和接　收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般　分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，　接收单元置于测站附近，用电缆线连接成一个整机。　近几年，国内引进了许多种类型的ＧＰＳ测地型接　收机，用于精密相对定位时，双频接收机精度可达　５ＭＭ＋１ＰＰＭ．Ｄ，单频接收机在一定距离内精度可达　１０ＭＭ＋２ＰＰＭ．Ｄ。越来越小，越来越轻，便于野外观测　】。　定位的种类有静态和动态定位。静态定位时，ＧＰＳ接　收机在捕获和跟踪ＧＰＳ卫星的过程中固定不变。接收机高　精度地测量ＧＰＳ信号的传播时间，利用ＧＰＳ卫星在轨的已　知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。动态定　位时，ＧＰＳ接收机测定一个运动物体的运行轨迹。ＧＰＳ信　号接收机所位于的运动物体叫做载体，如航行中的船舰、　空中的飞机、行走的车辆等。载体上的ＧＰＳ接收机天线在　跟踪ＧＰＳ卫星的过程中相对地球而运动，接收机用ＧＰＳ信　号实时地测得运动载体的状态参数ｆ瞬间三维位置和三维　速度）。　４　ＳＥＭＩＮＯＬＥ飞机上ＧＰＳ的特点与应用　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，可以进行ＧＰＳ导航。　ＳＥＭＩＮＯＬＥＥ机ＧＰＳ导航具有以下优点：改进了导航精度和　完整性；符合所需求的导航性能（ＲＮＰ）；可以不需要常规导　航设备；大幅度减小了地图变换带来的不便；减少了机组工　作量和负担；自我监控功能监￣ＩＪＧＰＳ的工作；完整性预测　和告警。　４．１编写飞行计划　在使用ＧＰＳ进行航路上的定位，导航时，首先要输入　航路　数据：ＧＮＳ４３０系统可存储１０００个航路点数据，通过　“用户航路点”页面输入ＧＰＳ航路计划，数据输入完毕后　需要仔细核对。其次编写飞行计划：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，通过ＦＰＬ　页面依次输入航路点。　４．２在飞行中的应用　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—方面也可以确定该点相对其他点的　关系。　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；另一方面可直观形象地看到飞　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，就能显示　飞机即时所在位置，并根据航迹进行修正。在地图页面中，　飞机所处位置及如何修正一目了然，显示了ＧＰＳ导航的精　７６　ＥＩＣ　Ｖｏ１．２０　２０１３　Ｎｏ．１　噩　墨旦应　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，灵活熟练地掌握“直飞”模式的使用方法，可以　使飞行员游刃有余地处置一些特殊情况。　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　情况对飞行员来说是极其重要的，　ＧＰＳ不仅能够准确地提供导航信息，还能提供适量的天气　信息，这足以证明其功能的强大及在民用航空的重要性。　利用ＧＰＳ自带数据库：ＣＮＳ４３０组件提供了功能强大、　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）、日出日落时间等等。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｝ｆＪ“最近机场”页　面，选定要去的机场，然后再按“直飞”键，激活航线，此　时飞行员可以根据提供的导航信息数据，直飞该机场。在　平时训练中，经常因为本场飞机多而要改变计划去其他空　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。还能在第二部ＧＰＳ中调出所需的空域并激活，便　可以准确无误地到达该空域，然后在地图页面中莉Ｈ｛的空　域范围进行训练　ｌ　７】。　４．３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（　Ｐｓ都ｎ丁　以设置成ＧＰＳ模式，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，另一方面保证一旦其中一套系　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　息准确无误。　５结束语　

随着社会的发展进步及国际形势的不断变化，卫星定　位的需求必将越来越多。同时随着科学技术的不断发展和　应用，卫星定位导航系统的性能也必将越来越强大。口　

参考文献　【１】刘基余．ＧＰＳ导航定位原理与方法ｌＭ】北京：科学出版社，２００３：１—　１０，７７－８６　【２】李明锋ＧＰＳ定位技术及其应用［Ｍ】北京：国防【：业出版　社．２００６：１３—２６　ｌ３］杨俊，武奇生　ＧＰＳ基本原理及其Ｍａｔｌａｂ仿真【Ｍ］西安：两安电子　科技大学出版社，２００６：１６０－１８２　【４】徐绍铨，张华海，杨志强，等ａｐｓａ￣量原理及应用『Ｍｌｌ武汉：武汉　大学出版社，２００８：１０－１４．　【５】李天文ＧＰＳ原理及应用【Ｍ】．北京：科学出版社，２００３：２１—２８．　［６］［ａｎ　Ｈ　Ｗｉｔｔｅｎ，Ａｌｉ　ｓｔａｉｒ　Ｍｏｆｆａｔ，Ｔｉｍｏｔｈｙ　Ｃ　Ｂｅｌ１　Ｍａ　ｒｌａｇｉｎｇ　Ｇｉｇａｂｙｔｅ　ｓ：Ｃｏｍｐｒｅ　ｓ　ｓｉｎｇ　ａｎｄ　ｌｎｄｅｘｉｎｇ　Ｄｏ　ｃｕｍｅｎｔ　ｓ　ａｎｄ　Ｉｍａｇｅｓ（２　Ｅｄｉｔｉｏｎ）［Ｍ］梁斌译北京：电子工业出版社，２００９　【７］王惠南ＧＰＳ导航原理与应用【Ｍ】＿］Ｅ京：科学出版社，２００３：２４—３２．．　作者简介：肖青（１９８４－），男，硕士研究生，助理工程师，研究方向为机务电　子维修技术与管理。　收稿日期：２０１２－１卜２８