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34—58—00—008 Rev 3 01/05/1998
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GPS — 工作原理之— 1
GPS 的工作段
GPS 有三個工作段，它們是：
－ 衛(wèi)星段
－ 用戶段
－ 控制段
衛(wèi)星段
衛(wèi)星段是離地球高10900 海里軌道上的一群衛(wèi)星。每個衛(wèi)星每
12 小時繞地球為中心的軌道轉(zhuǎn)一圈。共有21 個工作衛(wèi)星和三個備用
衛(wèi)星。
衛(wèi)星連續(xù)發(fā)射帶有導(dǎo)航數(shù)據(jù)、測距碼、和精確時間的無線電信號。
用戶段
用戶段就是飛機上的GPS 接收組件，它接收衛(wèi)星信號。GPS 利
用衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算飛機的位置。
控制段
控制段就是地面上的控制和監(jiān)測站，它們連續(xù)地監(jiān)測并跟蹤各個
衛(wèi)星。控制段完成如下工作：
－ 監(jiān)測并修正衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星時鐘
－ 算出并生成衛(wèi)星導(dǎo)航電文。此電文具有說明衛(wèi)星未來位
置的更新信息，并收集有所有GPS 衛(wèi)星的最新數(shù)據(jù)。
－ 有規(guī)則地不斷更新衛(wèi)星導(dǎo)航電文。
控制段有一個主控站和5 個監(jiān)測站，其中三個監(jiān)測站也作數(shù)據(jù)的
上行裝載站。
主控站位于美國科羅拉多州的勘探平士，它是GPS 的運行中心。
在主控站有一個原子鐘，此鐘是GPS 的基準(zhǔn)。
監(jiān)測站每天24 小時跟蹤24 顆衛(wèi)星，主控站遠距離通過在線連接
控制著各個監(jiān)測站，這些監(jiān)測站的位置如下：
－ 阿申辛島
－ 科羅拉多州的斯平士
－ 迪亞哥加西阿島
－ 夏威夷
－ 卡哇加列島
監(jiān)測站和飛機上的接收機一樣地接收著各個衛(wèi)星的這些信息。監(jiān)
測站完成如下工作：
－ 記錄衛(wèi)星時鐘的精度
－ 向主控站采集并轉(zhuǎn)發(fā)氣象數(shù)據(jù)，例如氣壓、氣溫和露點。
主控站用以計算對流層信號延遲。
－ 對所有可見衛(wèi)星連續(xù)測距，主控站利用此數(shù)據(jù)計算并預(yù)
測衛(wèi)星軌道。
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GPS — 工作原理— 1
主控站借上行裝載站向衛(wèi)星發(fā)送以下數(shù)據(jù)：
－ 軌道修正指令，使該衛(wèi)星利用其控制噴射筒修正其軌道。
－ 衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。
上行裝載站位置分別在阿申辛島、迪亞哥加西阿島、卡哇加列島。
GPS 精度
民間用戶可以取用標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS），SPS 的定位精度為在
95%概率上達到15~25 米。由于美國的安全問題，美國國防部故意對
民間用戶降低定位精度，使其為100 米。
軍事用戶可以取用精密定位服務(wù)（PPS），PPS 的定位精度在95%
概率上為小于18 米。
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衛(wèi)星段
用戶段
控制段
GPS — 工作原理— 1
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GPS — 工作原理— 2
距離
GPS 接收機采用測距原理，即測量從接收機到衛(wèi)星之間的距離。
接收機內(nèi)經(jīng)常存貯著衛(wèi)星在軌道上的位置。
接收機利用無線電信號測量從一顆衛(wèi)星到達飛機的一段時間，由
于接收機已知衛(wèi)星的位置，并且無線電信號是以光速傳播的，所以就
能算出和衛(wèi)星之間的距離。
接收機利用單程測距原理，接收機必須正確地知道在什么時候衛(wèi)
星上送出無線電信號，接收機將收到的衛(wèi)星信號和接收機中產(chǎn)生的和
衛(wèi)星發(fā)送信號相同的信號比較，兩個信號的相差（△t）就是衛(wèi)星信
號到達接收機的時間。
每個衛(wèi)星上有一個原子鐘保持著精確的時間，所有衛(wèi)星上的時間
其精確度相當(dāng)。飛機上的接收機也有一個內(nèi)部時鐘，但不是原子鐘，
并不很精確。因此，接收機的時間要像衛(wèi)星同樣的精確是不可能的。
假設(shè)接收機內(nèi)部時鐘的偏差為（△tBIAS），而△tBIAS 是未知數(shù)，
必須在接收機中算出。此△tBIAS 就是接收機時間和GPS 時間之間
的差值。
為了計算飛機位置（緯度、經(jīng)度和高度）以及時間偏差△tBIAS，
接收機必須知道至少4 顆衛(wèi)星的位置，接收機應(yīng)同時測量對4 顆衛(wèi)星
的距離，然后利用4 個距離方程解出4 個未知數(shù)，即解出：
－ 緯度
－ 經(jīng)度
－ 高度
－ △tBIAS
GPS 時間
所有衛(wèi)星上的時間都應(yīng)和世界協(xié)調(diào)時（UTC）同步。衛(wèi)星上將此
時間發(fā)送給接收機。衛(wèi)星上的UTC 的精度約為100 納秒。接收機按
ARINC 429 格式發(fā)送UTC 數(shù)據(jù)，接收機也非常精確地每秒鐘發(fā)送出
一個時間標(biāo)記。
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GPS － 工作原理－ 2
測距
GPS 時間
距離2
距離4
距離1
距離3
時間差
GPS 時間
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