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摘要：
本文介绍了全球卫星定位系统（GPS）的组成、工作原理及其在飞机导航系统中的应用。
一、GPS系统的组成
GPS系统主要由卫星段、用户段和控制段三大部分组成， (图1—1)。
图1—1 GPS系统的组成
1.卫星段
卫星段是离地球高10900海里轨道上的一群卫星。每个卫星每12 小时绕地球为中心的轨道转一圈。共有21个工作卫星和三个备用卫星。 卫星连续发射带有导航数据、测距码、和精确时间的无线电信号。
2.用户段
用户段就是各式各样的 GPS 接收组件，它接收卫星信号。GPS接收组件利用卫星数据计算用户的位置。
3.控制段
控制段就是地面上的控制和监测站，它们连续地监测并跟踪各个卫星。
二．GPS系统的工作原理
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。
GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。
GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。
GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。
按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
三、GPS系统在飞机导航系统中的应用
按照机载导航系统的功能划分，GPS在航空导航中的应用以下几个方面：
3.1 航路导航
航路主要指洋区和大陆空域航路。各种研究和实验已经证明，GPS和一种 称之为接收机自主完善性监测（RAIM）的技术能满足洋区航路对GPS的导航精度、完善性 和可用性的要求，而且精度也能满足大陆空域航路的要求。GPS和广域增强系统也能满足大陆空域航路 精度、完善性和可用性的要求。GPS的精度远优于现有任何航路用导航系统，这种精度的提高和连续性服务的改善有助于有效利用空域，实现最佳的空域划分和管理、空中交通流量管理以及飞行路径管理，为空中运输服务开辟了广阔的应用前景，同时也降低了营运成本，保证了空中交通管制的灵活性。
GPS的全球、全天候、无误差积累的特点，更是中、远程航线上目前最好的导航系统。 按照国际民航组织的部署，GPS将逐渐替代现有的其他无线电导航系统。GPS不依赖于地面设备、可与机载计算机等其他设备一起进行航路规划和航路突防，增加了许多灵活性。
3.2 进场/着陆
包括非精密进场/着陆、CAT-1、2、3类精密进场/着陆。GPS及其广域增强系统完全 满足非精密进场/着陆对清度、完善性和可用性的要求；再用局域伪距差分技术/系统增强，能满足CAT-1、2类精密进场的要求。目前实验表明，采用载波相位差分技术，精度可达到 CAI-3b类的要求。可以肯定，各种增强和组合系统（如LAAS、WAAS、INS等）与GPS将成为进场/ 着陆的主要手段，仪表着陆将最终被取代。由于GPS著陆系统设备简单、无需复杂的地面支持 系统，它将适合于任何机场，包括私人机场和山区机场。理论上，GPS着陆系统可以引导 飞机沿着任意一条飞行剖面和进场路径着陆，这就增强了各种机场着陆的灵活性和盲降能力。
3.3 场面监视和管理
包括终端飞行管理和机场场面监视/管理。场面监视和管理的目的就是 要减少起飞和进场滞留时间，监视和调度机场的飞机、车辆和人员，最大效率地利用终端 空间和机场，以保证飞行安全。GPS、数字地图和数字通信链为开发先进的场面导航、通信和监视系统提供了全新的技术，可以确信基于GPS/数字地图的场面监视和管理将为机场带来很大的效益。
3.4 航路监视
目前的监视是一种非相关监视系统，主要是利用各种雷达系统，可以和机载 导航系统互成备份。但这种监视系统地面和机载设备复杂、价格高、监视精度随距离而 变化，作用距离有限，不可能实现全球覆盖和全球无间隙监视。GPS和航空移动卫星系统的出现 ，将改变这种传统的监视方法，机载GPS导航系统通过通信自动报告自己的位置这种"自动 相关监视系统ADS"已经提出，目前的演示和实验已经证明ADS为飞行各阶段的监视都会带 来益处，特别是为了洋区和内陆边远地区空域实现自动自动监视业务提供了可能。这将杉其有 效地减轻飞行员/管制人员的工作负担，同时也增加了ATM的灵活性。
参考文献：
BOEING 737NG AIRCRAFT MAINTENANCE MANUAL 34-42 GLOBAL POSITIONING SYSTEM
袁建平等.GPS在飞行器定位导航中的应用.西北工业大学出版社.2000.
洪大永.GPS全球定位系统技术及应用.厦门大学出版社.1998
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
本文介绍了全球卫星定位系统（GPS）的组成、工作原理及其在飞机导航系统中的应用。
一、GPS系统的组成
GPS系统主要由卫星段、用户段和控制段三大部分组成， (图1—1)。
图1—1 GPS系统的组成
1.卫星段
卫星段是离地球高10900海里轨道上的一群卫星。每个卫星每12 小时绕地球为中心的轨道转一圈。共有21个工作卫星和三个备用卫星。 卫星连续发射带有导航数据、测距码、和精确时间的无线电信号。
2.用户段
用户段就是各式各样的 GPS 接收组件，它接收卫星信号。GPS接收组件利用卫星数据计算用户的位置。
3.控制段
控制段就是地面上的控制和监测站，它们连续地监测并跟踪各个卫星。
二．GPS系统的工作原理
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。
GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。
GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。
GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。
按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
三、GPS系统在飞机导航系统中的应用
按照机载导航系统的功能划分，GPS在航空导航中的应用以下几个方面：
3.1 航路导航
航路主要指洋区和大陆空域航路。各种研究和实验已经证明，GPS和一种 称之为接收机自主完善性监测（RAIM）的技术能满足洋区航路对GPS的导航精度、完善性 和可用性的要求，而且精度也能满足大陆空域航路的要求。GPS和广域增强系统也能满足大陆空域航路 精度、完善性和可用性的要求。GPS的精度远优于现有任何航路用导航系统，这种精度的提高和连续性服务的改善有助于有效利用空域，实现最佳的空域划分和管理、空中交通流量管理以及飞行路径管理，为空中运输服务开辟了广阔的应用前景，同时也降低了营运成本，保证了空中交通管制的灵活性。
GPS的全球、全天候、无误差积累的特点，更是中、远程航线上目前最好的导航系统。 按照国际民航组织的部署，GPS将逐渐替代现有的其他无线电导航系统。GPS不依赖于地面设备、可与机载计算机等其他设备一起进行航路规划和航路突防，增加了许多灵活性。
3.2 进场/着陆
包括非精密进场/着陆、CAT-1、2、3类精密进场/着陆。GPS及其广域增强系统完全 满足非精密进场/着陆对清度、完善性和可用性的要求；再用局域伪距差分技术/系统增强，能满足CAT-1、2类精密进场的要求。目前实验表明，采用载波相位差分技术，精度可达到 CAI-3b类的要求。可以肯定，各种增强和组合系统（如LAAS、WAAS、INS等）与GPS将成为进场/ 着陆的主要手段，仪表着陆将最终被取代。由于GPS著陆系统设备简单、无需复杂的地面支持 系统，它将适合于任何机场，包括私人机场和山区机场。理论上，GPS着陆系统可以引导 飞机沿着任意一条飞行剖面和进场路径着陆，这就增强了各种机场着陆的灵活性和盲降能力。
3.3 场面监视和管理
包括终端飞行管理和机场场面监视/管理。场面监视和管理的目的就是 要减少起飞和进场滞留时间，监视和调度机场的飞机、车辆和人员，最大效率地利用终端 空间和机场，以保证飞行安全。GPS、数字地图和数字通信链为开发先进的场面导航、通信和监视系统提供了全新的技术，可以确信基于GPS/数字地图的场面监视和管理将为机场带来很大的效益。
3.4 航路监视
目前的监视是一种非相关监视系统，主要是利用各种雷达系统，可以和机载 导航系统互成备份。但这种监视系统地面和机载设备复杂、价格高、监视精度随距离而 变化，作用距离有限，不可能实现全球覆盖和全球无间隙监视。GPS和航空移动卫星系统的出现 ，将改变这种传统的监视方法，机载GPS导航系统通过通信自动报告自己的位置这种"自动 相关监视系统ADS"已经提出，目前的演示和实验已经证明ADS为飞行各阶段的监视都会带 来益处，特别是为了洋区和内陆边远地区空域实现自动自动监视业务提供了可能。这将杉其有 效地减轻飞行员/管制人员的工作负担，同时也增加了ATM的灵活性。
参考文献：
BOEING 737NG AIRCRAFT MAINTENANCE MANUAL 34-42 GLOBAL POSITIONING SYSTEM
袁建平等.GPS在飞行器定位导航中的应用.西北工业大学出版社.2000.
洪大永.GPS全球定位系统技术及应用.厦门大学出版社.1998
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。