2第二讲 GPS系统组成、坐标系统

卫星定位技术与方法第二讲 GPS系统组成

西南交通大学测量工程系

全球定位系统-GPS系统组成GPS定位系统主要由 GPS卫星星座(空间部分)、地面监控系统、用户接收处理部分组成。如图

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2006-5-11

GPS Segments

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ConstellationGPS卫星星座主要由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星， 3颗备用卫星。 1978-1985发射的第一代原型卫星(Block I)是用于可行性验证。1989年开始发射第二代卫星(Block II),于1995年4月完成24颗卫星的发射。第二代卫星随后作了改进，包括增强型 (Block IIA)、完善型 (Block IIR)和延续型(Block IIF)。现已开始第三代卫星研制，以实现GPS现代化，主要是改进卫星性能和使用寿命，增加第三民用频率L5。到2001年空中实际已有29颗卫星。卫星定位技术与方法 2006-5-114

Constellation

GPS卫星分布在6个近圆形轨道面，高度在地面以上约20200km,轨道面相对于地球赤道面倾斜 55°角，卫星运转周期约11小时58分(半个恒星日),这样使得在地球上任何地方都可以同时观测到4-12颗高度角15°以上的卫星，以满足定位要求。GPS卫星基本功能是：接收和储存由地面监控站发来的跟踪监测信息；在地面监控站指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星；进行必要的数据处理工作；通过星载高精度铯钟和铷钟提供精密的时间基准；向用户广播 GPS信号(导航电文和测距码)。卫星定位技术与方法 2006-5-115

GPS Nominal Orbit Planes

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Current GPS ConstellationLAUNCH LAUNCH DATE FREQ STD PLANE ORDER PRN SVN

LAUNCH

LAUNCH DATE

FREQ STD PLANE

ORDER PRN SVN

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IIA-16 01 32 E1 B3 E5 A4 D3 F3 E2 D2 E4 D1 A2 F2 A3 IIA-17 29 29 IIA-18 22 22 IIA-19 31 31 IIA-20 07 37 IIA-21 09 39 IIA-22 05 35 IIA-23 04 34 IIA-24 06 36 IIA-25 03 33 IIA-26 10 40 IIA-27 30 30 IIA-28 08 38 **IIR-1 IIR-2 IIR-3 IIR-4 IIR-5 IIR-6 42 13 43 11 46 20 51 28 44 14 41

22 NOV 92 18 DEC 92 03 FEB 93 30 MAR 93 13 MAY 93 26 JUN 93 30 AUG 93 26 OCT 93 10 MAR 94 28 MAR 96 16 JUL 96 12 SEP 96 06 NOV 97 17 JAN 97 23 JUL 97

Cs Rb Rb Cs Rb Cs Cs Rb Cs Cs Cs Cs Rb Rb

F1 F4 B1 C3 C4 A1 B4 D4 C1 C2 E3 B2 A5 F5 D2 E1 B5 F1 E4

^II-1 II-2^ II-3^ II-4 II-5^II-6 *II-7 II-8 II-9 21 15 02 16 19 17

14 13 16 19 17 18 20 21 15

14 FEB 89 10 JUN 89 18 AUG 89 21 OCT 89 11 DEC 89 24 JAN 90 26 MAR 90 02 AUG 90 01 OCT 90 26 NOV 90 04 JUL 91 23 FEB 92 10 APR 92 07 JUL 92 09 SEP 92

Cs Cs Cs Cs Cs Cs Cs Cs Cs Rb Cs Rb Cs

IIA-10 23 23 IIA-11 24 24 IIA-12 25 25 *IIA-13 28 IIA-14 26 26 IIA-15 27 27

07 OCT 99 Rb 11 MAY 00 Rb 10 JUL 00 Rb 10 NOV 00 Rb

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IIR-7

18 54 30 JAN 01 Rb 2006-5-11

First GPS satellite Block I was launched in 1978

Air Force-launched Delta II carried the 18th GPS satellite into orbit in February 1993.

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8 8

BLOCK I

BLOCK II/IIA

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BLOCK IIR

BLOCK IIF

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GPS ConstellationBlock I vehicle numbers (SVN) 1 through 11 launched between 1978 and 1985 concept validation satellites developed by Rockwell International circular orbits inclination 63 deg one Cesium and two Rubidium clocks design life of 5 years (majority performed well beyond their life expectancy)卫星定位技术与方法 2006-5-1111

GPS ConstellationBlock II vehicle numbers (SVN) 13 through 21 launched between 1989 and 1990 full scale operational satellites developed by Rockwell International nearly circular orbits inclination 55 deg two Cesium and two Rubidium clocks design life of 7.3 years AS/SA capabilities卫星定位技术与方法 2006-5-1112

GPS ConstellationBlock IIR vehicle numbers (SVN) 41 through 62 total of 10 (1 unsuccessful) as of January 2004 operational replenishment satellites developed by Lockheed Martin nearly circular orbits inclination 55 deg one Cesium and two Rubidium clocks design life of 7.8 years AS/SA capabilities卫星定位技术与方法 2006-5-1113

GPS ConstellationBlock IIF to be launched between 2003 and 2010 operational follow on satellites nearly circular orbits inclination 55 deg design life of 10 years will carry an inertial navigation system? will have an augmented signal structure (third frequency) as of 2005

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GPS ConstellationBlock III In November 2000, Lockheed Martin and Boeing were each awarded a$16-million, 12-month study contract by the Air Force to conceptualize the next generation GPS satellite, which will be known as GPS Block-3. First launch expected in 2009.

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地面监控部分 地面监控系统由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。控制部分的核心是主控站(MCS),位于科罗拉多州空军基地。5个监测站分别位于科罗拉多州、夏威夷、阿松森群岛、迭哥伽西亚和卡瓦加兰，如图2-1。 主控站的作用是收集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、环境要素等数据，计算每颗GPS卫星的星历和卫星钟差、时钟改正量、状态数据、以及信号的大气层传播改正，并按一定的形式编制成导航电文，传送到注入站，此外还控制和监视其余站的工作情况并调整卫星姿态和位置，检测和维护卫星健康、替换故障卫星。

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