. . . 毕业设计（论文）题目：XXX全球定位系统故障原因分析学生系 别专 业 学 号 指导教师二0一二 年 五 月 十九 日学生学号系别班级指导教师设计（论文）题目：XXX 全球定位系统故障原因分析一、主要容:介绍 XXX 全球定位系统的工作原理；常见发生故障的现象及危害,对产生这些故障的原因进行分析,给出其故障解决方法二、阶段设计任务:2009年1月：确定论文题目，收集资料、阅读文献。2009年3月上旬：开题编写。2009年4月下旬：完成论文初稿。2009年5月中旬：完成论文准备答辩。2009年5月下旬：完成论文答辩。三、主要（技术）要求:1、标题：应简短、明确、有概括性。字数要适当，一般不宜超过20字，如果有些细节必须放进标题，可以分成主标题和副标题。2、论文摘要：要以浓缩的形式概括课题的容，以100-200字以为宜。3、目录：按三级标题标准编写（即：1.、1.1、1.1.1）要求标题层次清晰。目录中的标题应与正文中的标题一致。4、序言：应说明本论文的意义、目的、研究围及要达到的技术要求；简述本论文在国外的发展概况及存在的问题；说明本论文的指导思想；阐述本论文应解决的主要问题。5、正文：要符合一般学术论文的写作规，字数要达到要求，容要理论联系实际。6、辞：对指导老师和给予指导或协助完成毕业论文的组织和个人表示感。7、主要参考文献：参考文献反映毕业论文的取材来源，同时也是作者对他人知识成果的承认和尊重。四、参考文献和资料目录：1. 航空无线电导航原理 下册高平、邓勇主编 国防工业 20082. 卫星导航原理及应用琳、丁继成=马雪飞编著 西北工业大学 20113. GPS测量与数据处理征航 大学 2005目 录 前 言4第一章 全球定位系统的工作原理5第二章 波音737上GPS的故障分析9致 23参考文献24 摘要GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。本文主要介绍了GPS的组成和工作原理，分析GPS常见故障和检测方法。 . . . . 关键字GPS 定位 导航 前言GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规(Geometrical Product Specifications)-简称GPS。另外一种解释为G/s（GB per s）。GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。 为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这使GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道 该计划以伪随机码（PRN）为基础。第一章 GPS的基本组成与原理第一节：GPS导航系统的基本原理（一） 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记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，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t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（差分脱光光定位）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，测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱， 因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。 （二）GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式。图如下：（1） （1） （三）相对论为GPS提供理论修 全球定位系统GPS卫星的定时信号提供纬度、经度和高度的信息，精确的距离测量需要精确的时钟。因此精确的GPS接受器就要用到相对论效应。 准确度在30米之的GPS接收机就意味着它已经利用了相对论效应。华盛顿大学的物理学家Clifford M. Will详细解释说：“如果不考虑相对论效应，卫星上的时钟就和地球的时钟不同步。”相对论认为快速移动物体随时间的流逝比静止的要慢。Will计算出，每个GPS卫星每小时跨过大约1.4万千米的路程，这意味着它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒。 而引力对时间施加了更大的相对论效应。大约2万千米的高空，GPS卫星经受到的引力拉力大约相当于地面上的四分之一。结果就是星载时钟每天快45微秒， GPS要计入共38微秒的偏差。Ashby解释说：“如果卫星上没有频率补偿，每天将会增大11千米的误差。”（这种效应事实上更为复杂，因为卫星沿着一个偏心轨道，有时离地球较近，有时又离得较远。）第二节：GPS导航系统的组成部分（一）空间部分 GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上（每个轨道面4 颗），轨道倾角为55。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。 GPS有三个工作段：-卫星段-用户段-控制段 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。图如下：（2） （2）用户段用户段就是飞机上的GPS接收组件，它接收卫星信号。GPS利用卫星数据计算飞机的位置。图如下：（3） （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，控制段能完成如下工作： -监测并修正卫星的轨道和卫星时钟 -算出并生成卫星导航电文，此电文具有说明卫星未来位置更新信息，并收集有所有GPS卫星的最新数据。 -有规则地不断更新卫星导航电文。 控制段有一个主控站和五个监测站，其中三个监测站也作数据的上行装载站。 主控站位于美国科罗拉多州的勘探平土，它是GPS的运行中心。在主控站有一个原子钟，此钟是GPS的基准。监测站每天24小时跟踪24颗卫星，主控站远距离通过在线连