XXX全球定位系统故障分析.docx
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XXX全球定位系统故障分析
毕业设计(论文)
题目:
XXX全球定位系统故障原因分析
学生姓名
系别
专业
学号
指导教师
二0一二年五月十九日
学生姓名
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、主要内容:
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内容,以100-200字以内为宜。
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、研究范围及要达到的技术要求;简述本论文在国内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范,字数要达到要求,内容要理论联系实际。
6、谢辞:
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谢。
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》陈高平、邓勇主编国防工业出版社2008
2.《卫星导航原理及应用》赵琳、丁继成=马雪飞编著西北工业大学出版社2011
3.《GPS测量与数据处理》李征航武汉大学出版社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
致谢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GlobalPositioningSystem(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:
产品几何技术规范(GeometricalProductSpecifications)-简称GPS。
另外一种解释为G/s(GBpers)。
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,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,大地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米之内的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CliffordM.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接控制着各个监测站,这些监测站的位置如下:
-阿申辛岛
-科罗拉多州的斯平士
-迪亚戈加西阿岛
-夏威夷
-卡瓦加列岛
监测站和飞机上的接收机一样的接收着各个卫星的这些信息。
监测站完成如下工作:
-记录卫星时钟的精度
-向主控站采集并转发气象数据,例如气压、气温和露点。
主控站用以计算对流层信号延迟。
-对所有可见卫星连续测距,主控站利用此数据计算并预算卫星轨道。
主控站借上行装载站想卫星发送以下数据:
-轨道修正指令,使该卫星利用其控制喷射筒修正其轨道。
-卫星导航电文。
上行装载站位置分别在阿申辛岛、迪亚戈加西阿岛、卡瓦加列岛。
(二)地面控制系统
地面控制系统由监测站(MonitorStation)、主控制站(MasterMonitorStation)、地面天线(GroundAntenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(ColoradoSpring)。
地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。
(三)用户设备部分
用户设备部分即GPS信号接收机。
其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。
当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。
根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
接收机硬件和机内软件以及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部分。
接收机一般采用机内和机外两种直流电源。
设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。
在用机外电源时机内电池自动充电。
关机后机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。
目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。
其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。
图如下:
(4)
(4)
第二章波音737上GPS的故障原因分析
第一节:
GPS出现故障
(一)一个GPS故障
如果一个GPS故障,没有告示,直至你压下系统状态告示板重现键。
当你压下告示板,如下的告示出现:
—IRS方式选择组件上的GPS灯亮
—系统状态告示器上的IRS灯亮
—左右主提醒灯亮
当你松开告示板,所有告示器仍亮直至你压下左或右主提醒灯(重置)进行重置后才灭。
(二)两个GPS故障
如果两个GPS都存故障,这些告示为:
—IRS方式选择组件上的GPS灯亮
—系统状态告示器上的IRS灯亮
—左右主提醒灯亮
当你压下并松开左或右任意一个主提醒灯时,ERS灯和主提醒灯灭,但GPS灯仍亮着。
图如下:
(5)
(5)
第二节:
CDU显示
GPS数据显示在控制显示组件(CDU)上,有3个位置页面显示GPS数据,即:
—位置初始化页面(1/3)
—位置基准页面(2/3)
—位置偏离页面(3/3)
你可以利用后页或前页键去读取所有3个页面,显示出GPS数据的页面为:
—位置基准(POSREF)
—位置偏(POSSHIFT)
位置基准页面:
POSREF页面显示着左
(1)和右
(2)GPS的位置
位置偏离页面:
POSSHIFT页面显示着GPS位置相对于飞行管理计算机(FMC)位置的偏离。
每个位置偏离用分成两个部分:
—GPS位置相对于FMC位置的方位
—GPS位置相对于FMC位置的距离,以海里(NM)计。
所有的CDU显示的GPS数据,GPS1为左GPS,GPS2为右GPS。
当飞机在地面上时,位置偏离(POSSHIFT)页面的数据场内并不显示出信息。
图如下:
(6)
(6)
第三节:
GPS自检
(一)GPS具有连续监测的自检设备(BITE),用三种方法检测GPS故障:
—当GPS1和GPS2两套都有故障时,GPS故障灯亮。
—当某一个GPS系统有故障时,你压下一个主提醒告示器时,GPS灯亮。
在飞行管理计算机的传感器(FMCSENSORSTATUS)页面上可以显示MMR故障,在飞行管理计算机传感器(FMCSENSORDATA)页面上可以显示MMR的内部故障。
图如下:
(7)
(7)
这是显示GPS维护数据的两个页面:
—FMC传感器状态页面
—FMC传感器数据页面
FMCS传感器状态页面:
FMCSENSORSTATUS页面上显示着GPS系统工作状态,当显示OK表明系统有效,当显示FAIL表明GPS系统故障。
要提取故障的工程数据时,在CDU的暂存行中键入100,并将右6选行健(LSK6R)压下。
FMCS传感器数据页面:
当左GPS
(1)或右GPS
(2)已有故障后,在此页面上将显示工程数据。
如果两套GPS系统都有效时,此页面上没有GPS系统的工程数据出现。
可能显示的数据如下:
—系统码
—标签码
—故障状态
—故障时间
—监测码
图如下:
(8)
(8)
(二)多模式接收机自检
前面板自测试:
在接收机前面板上压下测试电门,开始MMR的自检。
于是MMR进行内部工作检查和接口检查,测试结果显示于液晶显示器上。
当你压下测试电门后,测试进行着的页面表示接收机通过将近持续5秒的自检,页面底部有5秒钟的进程刻度,在这一行的某一位上表明测试进行的时间。
“TESTCOMPLETENOFAILURES”显示后,表明通过了测试没有故障,“TESTCOMPLETETAILURES”显示,则表明测试失败的情况(有故障)。
在测试顺序中,在前面板上可以提供选择后显示在电门的上方的:
MAINT:
此选择表明页面上包含有程序销钉的选择和离散接口状态
RETURN:
此选择导致显示返回到开始测试页面
WHY?
:
当有故障时出现这种选择,压下此选择后显示出故障
MORE:
此选择表明任何时间跟随着还有更多的数据页面
图如下:
(9)
(9)
参考文献
1.《航空无线电导航原理下册》陈高平、邓勇主编国防工业出版社2008
2.《卫星导航原理及应用》赵琳、丁继成=马雪飞编著西北工业大学出版2011
3.《GPS测量与数据处理》李征航武汉大学出版社2005
致谢
在论文的写作的当中得到了指老师的大力支持,在此予以郑重的感谢!
由于本人水平有限,资料有限,加之实习期工作繁忙,精力有限,本文存在太多的不足之处,望老师谅解并指正。
总结
论文的写作是一个长期的过程,需要不断的进行精心的修改,不断地去研究各方面的文献,认真总结。
历经了这么久的努力,终于完成了毕业论文。
在这次毕业论文的写作的过程中,我拥有了无数难忘的感动和收获。
在学校的图书馆着手资料的收集工作中,当时面对众多网络资料库的文章真是有些不知所措,不知如何下手。
我将这一困难告诉了指导老师,在老师的细心的指导下,终于使我了解了应该怎么样利用学校的浩瀚的资源找到自己需要的关于GPS方面的资源,平时的学习积累很重要,这次关于GPS的资料就是我们学专业英语中的一部分。
在找到资料后,我在电脑中都进行分类的整理,然后针对自己不同部分的写作内容进行归纳和总结。
尽量使我的资料和论文的内容符合,这有利于论文的撰写。
然后及时拿给老师进行沟通,听取老师的意见后再进行相关的修改。
老师的意见总是很宝贵的,可以很好的指出我的资料收集的不足以及需要什么样的资料来完善文章。
。
写作毕业论文是我们每个大学生必须经历的一段过程,也是我们毕业前的一段宝贵的回忆。
当我们看到自己的努力有收获的时候,总是会有那么一点点自豪和激动。
任何事情都是这样子,需要我们脚踏实地的去做,一步一个脚印的完成,认真严谨,有了好的态度才能做好一件事情,一开始都觉得毕业论文是一个很困难的任务,大家都难免会有一点畏惧之情,但是经过长时间的努力和积累,经过不断地查找资料后总结,我们都很好的按老师的要求完成了毕业论文的写作,这种收获的喜悦相信每个人都能够体会到。
这是一次意志的磨练,是对我实际能力的一次提升,相信对我未来的学习和工作有很大的帮助。
在这次毕业论文中同学之间互相帮助,共同商量相关专业问题,这种交流对于即将面临毕业的我们来说是一次很有意义的经历,大专3年都一起走过了,在最后我们可以聚在一起讨论学习,研究专业问题,真的非常值得怀念!
在此更要感谢我的专业老师,是你们的细心指导和关怀,使我能够顺利的完成毕业论文。
老师对于学生总是默默的付出,尽管很多时候我们自己并没有特别重视论文的写作,没有按时完成老师的任务,但是老师还是能够主动的和我们联系,告诉我们应该怎么样修改论文,怎么样按要求完成论文相关的工作。
真的非常感谢!
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