Tài liệu Đề tài " Nghiên cứu khai thác hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR" pptx

Đề tài " Nghiên
cứu khai thác
hệ thống dẫn
đường vệ tinh
NAVSTAR"
1
MỤC LỤC
CH¦¥NG 1: KH I QU T CHUNG V C C H TH NG D N NG V Á Á Ề Á Ệ Ố Ẫ ĐƯỜ Ệ
TINH 14
1.1 Khái quát chung 14
1.2 Các h th ng d n ng v tinh trên th gi iệ ố ẫ đườ ệ ế ớ 16
1.3 Các h to s d ng trong d n ng v tinhệ ạđộ ử ụ ẫ đườ ệ 32
1.4 H th i gianệ ờ 36
1.5 L ch v tinhị ệ 39
1.6 So sánh gi a hai h th ng v gi i pháp l a ch nữ ệ ố à ả ự ọ 39
CH¦¥NG 2: NGUYÊN LÝ L M VI C C A H TH NG D N NG V À Ệ Ủ Ệ Ố Ẫ ĐƯỜ Ệ
TINH NAVSTAR 43
2.1 Nguyên lý d n ng c a h th ng d n ng v tinh NAVSTARẫ đườ ủ ệ ố ẫ đườ ệ 43
2.2 Xác nh kho ng cách gi nh v trong ph ng pháp d n ngđị ả ảđểđị ị ươ ẫ đườ 44
2.3 nh v t ng i th i gian th c GPS (DGPS Differential GPS)Đị ị ươ đố ờ ự 49
2.4 Tín hi u d n ng t v tinh trong h th ng GPSệ ẫ đườ ừ ệ ệ ố 51
2.5 C u trúc máy thu GPSấ 68
2.6 chính xác c a h th ng GPS v các l i ng truy nĐộ ủ ệ ố à ỗ đườ ề 75
CH¦¥NG 3: C I M KHAI TH C H TH NG D N NG V TINH ĐẶ ĐỂ Á Ệ Ố Ẫ ĐƯỜ Ệ
TRÊN M Y BAY BOEING 777Á 78
3.1 Gi i thi u h th ng d n ng v tinh trên máy bay Boeing 777ớ ệ ệ ố ẫ đườ ệ 78
3.2 Máy thu tín hi u v tinh GPS trên máy bay Boeing 777ệ ệ 79
3.3 Ch c n ng các kh i trong h th ng GPS trên máy bay Boeing 777ứ ă ố ệ ố 84
3.4 Công tác ki m tra m t tể ặ đấ 95
3.5 Công tác b o d ng cho h th ng GPS trên máy bay Boeing 777ả ưỡ ệ ố 96
2

NHIỆM VỤ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Lớp :
Khoá : Chuyên ngành : Điện - Điện tử
1. Tên đề tài
Nghiên cứu khai thác hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR
2. Hình thức đề tài
Nghiên cứu và khai thác sử dụng
3. Mục đích đề tài
- Hiểu được khái quát chung về các hệ thống dẫn đường vệ tinh
- Hiểu được tính năng, kết cấu, nguyên lý làm việc và đặc điểm khai
thác của hệ thống dẫn đường vệ tinh trên Boeing 777;
3
- Củng cố và hệ thống lại các kiến thức trong quá trình học tập để làm
cơ sở cho quá trình công tác sau này.
4. Số liệu và tài liệu chính cần sử dụng
- Giáo trình các hệ thống dẫn đường hàng không;
- Global Positioning System, International Navigation and Intergration.
Mohinder S. Grewal, Lawwrence R. Well and Angus P. Andrews;
- Avionic Fundamentals;
- Tài liệu hướng dẫn bảo dưỡng (Aircraft Maintenance Manual) của
máy bay Boeing 777, Version 01-2005.
5. Nhiệm vụ
a) Nội dung
- Lời nói đầu
- Chương 1: Khái quát chung về các hệ thống dẫn đường vệ tinh
- Chương 2: Đặc điểm nguyên lý làm việc của hệ thống dẫn đường vệ
tinh NAVSTAR
- Chương 3: Đặc điểm khai thác hệ thống dẫn đường vệ tinh trên
Boeing 777

- Kết luận.
b) Các bản vẽ kỹ thuật
- Sơ đồ cấu trúc hệ thống dẫn đường vệ tinh;
- Sơ đồ hệ thống dẫn đường vệ tinh trên máy bay Boeing 777;
- Sơ đồ xử lý tín hiệu của hệ thống NAVSTAR.
6. Thời gian
Ngày giao :
Ngày nộp :
Ngày …… tháng năm
4
HỌC VIÊN THỰC HIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN
5
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
……………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…
Điểm hướng dẫn:…………
Điểm phản biện:………….
Điểm bảo vệ:……………

Điểm tổng hợp:…………
Ngày …. Tháng năm

6
MỤC LỤC
6
L I NÓI UỜ ĐẦ 11
CÁC T VI T T TỪ Ế Ắ 13
CH¦¥NG 1: KH I QU T CHUNG V C C H TH NG D N NG V Á Á Ề Á Ệ Ố Ẫ ĐƯỜ Ệ
TINH 14
1.1 Khái quát chung 14
1.2 Các h th ng d n ng v tinh trên th gi iệ ố ẫ đườ ệ ế ớ 16
1.2.1 C s chung v lý thuy t d n ngơ ở ề ế ẫ đườ 16
a) D n ng b ng a tiêu (Pilotage): Trong th i k u, máyẫ đườ ằ đị ờ ỳ đầ
bay th ng ho t ng v i c ly ng n, t c th p, i u ki n th i ti tườ ạ độ ớ ự ắ ố độ ấ ở đề ệ ờ ế
t t, ng i lái có th quan sát c các a tiêu trên m t t (các nhố ườ ể đượ đị ặ đấ đỉ
núi, con sông, ng n tháp ) ã bi t d n ng cho máy bay t iọ … đ ế để ẫ đườ ớ
i m qui nh. ây l ph ng pháp n gi n nh t trong các ph ngđể đị Đ à ươ đơ ả ấ ươ
pháp d n ng.ẫ đườ 16
b) D n ng b ng sa (Dead Reckoning): Ph ng pháp n y sẫ đườ ằ đồ ươ à ử
d ng la b n t nh h ng, s d ng ng h h p m ng o ụ à ừ để đị ướ ử ụ đồ ồ ộ à để đ độ
cao, t c , t ó xác nh c h ng c n bay t ó a ra quy t nhố độ ừđ đị đượ ướ ầ ừđ đư ế đị
d n ng. ây l ph ng pháp c i n nh ng có chính xác khôngẫ đườ Đ à ươ ổđể ư độ
cao 16
c) D n ng thiên v n (Celestial Navigation): C n c v o gócẫ đườ ă ă ứ à
gi a tr c d c máy bay v các thiên th ã bi t tr c nh : m t tr i, m tữ ụ ọ à ểđ ế ướ ư ặ ờ ặ
tr ng v các ngôi sao t ng th i i m xác nh d n ng choă à ở ừ ờ để đị để ẫ đườ
ph ng ti n bay n i m quy nh. C ng nh ph ng pháp d n ngươ ệ đế để đị ũ ư ươ ẫ đườ
b ng a tiêu, ph ng pháp d n ng b ng thiên v n ch c sằ đị ươ ẫ đườ ằ ă ỉ đượ ử
d ng khi i u ki n th i ti t t t.ụ đ ề ệ ờ ế ố 16

d) D n ng quán tính (Inertial Navigation): Trên máy bay,ẫ đườ
ng i ta s d ng thi t b nh y c m o c gia t c máy bay m iườ ử ụ ế ị ạ ả để đ đượ ố ở ọ
h ng. T ó s d ng các m ch tích phân gia t c theo th i gian cho raướ ừđ ử ụ ạ ố ờ
c v n t c v quãng ng bay. Chúng ta có th d d ng nh n rađượ ậ ố à đườ ể ễ à ậ
ph ng pháp d n ng quán tính l ph ng pháp l m vi c c l p,ươ ẫ đườ à ươ à ệ độ ậ
cho nên nó có kh n ng m b o bí m t khi bay.ả ă đả ả ậ 17
e) D n ng vô tuy n (Radio Navigation): S d ng các máy thuẫ đườ ế ử ụ
phát sóng vô tuy n c t t i nh ng v trí bi t tr c trên m t tế đượ đặ ạ ữ ị ế ướ ặ đấ
hay trong không gian v trên máy bay. Máy thu c t trên ph ngà đượ đặ ươ
7
ti n bay, sau khi thu nh n tín hi u sóng vô tuy n s tính toán a raệ ậ ệ ế ẽ đư
các tham s d n ng. Ph ng pháp d n ng b ng vô tuy n choố ẫ đườ ươ ẫ đườ ằ ế
k t qu có chính xác cao, c ly ho t ng l n, ít ph thu c v oế ả độ ự ạ độ ớ ụ ộ à
i u ki n th i ti t bên ngo i. H th ng d n ng v tinh l m t trongđề ệ ờ ế à ệ ố ẫ đườ ệ à ộ
nh ng ph ng pháp trong d n ng vô tuy n.ữ ươ ẫ đườ ế 17
1.2.2 H th ng d n ng v tinh NAVSTARệ ố ẫ đườ ệ 17
a) Gi i thi uớ ệ 17
b) C u trúc h th ng NAVSTAR - GPSấ ệ ố 18
c) Các thông s k thu t c a h th ng NAVSTARố ỹ ậ ủ ệ ố 23
d) V tinh NAVSTARệ 24
e) u i mƯ để 26
1.2.3 H th ng Glonassệ ố 26
a) Gi i thi uớ ệ 26
b) C u trúc h th ng GLONASSấ ệ ố 26
c) Thông s k thu t c a h th ng GLONASSố ỹ ậ ủ ệ ố 28
1.2.4 H th ng v tinh d n ng dân d ng bao ph INMARSATệ ố ệ ẫ đườ ụ ủ 29
1.3 Các h to s d ng trong d n ng v tinhệ ạđộ ử ụ ẫ đườ ệ 32
1.3.1 H to a lý OzXdYdZdệ ạđộđị 32
1.3.2 H to chu n a tâmệ ạđộ ẩ đị 33
1.3.3 H to GPSệ ạđộ 34

1.3.4 H to a lý c c b ENU (East North Up Coordinate)ệ ạđộđị ụ ộ 36
1.4 H th i gianệ ờ 36
1.4.1 Gi GPSờ 36
1.4.2 Gi UTCờ 37
a) Tr ng h p th nh t:ườ ợ ứ ấ 37
b) Tr ng h p th hai:ườ ợ ứ 38
c) Tr ng h p th ba:ườ ợ ứ 38
1.5 L ch v tinhị ệ 39
1.6 So sánh gi a hai h th ng v gi i pháp l a ch nữ ệ ố à ả ự ọ 39
1.6.1 So sánh 39
Thông số 40
1.6.2 Gi i pháp l a ch n c a th gi i v Vi t Namả ự ọ ủ ế ớ à ệ 41
CH¦¥NG 2: NGUYÊN LÝ L M VI C C A H TH NG D N NG V À Ệ Ủ Ệ Ố Ẫ ĐƯỜ Ệ
TINH NAVSTAR 43
2.1 Nguyên lý d n ng c a h th ng d n ng v tinh NAVSTARẫ đườ ủ ệ ố ẫ đườ ệ 43
2.2 Xác nh kho ng cách gi nh v trong ph ng pháp d n ngđị ả ảđểđị ị ươ ẫ đườ 44
8
2.2.1 nh ngh a kho ng cách giĐị ĩ ả ả 44
2.2.2 Xác nh v trí t các kho ng cách giđị ị ừ ả ả 46
a) Tuy n tính hoá ph ng trình kho ng cách giế ươ ả ả 48
b) H ph ng trình không t ng thíchệ ươ ươ 49
2.3 nh v t ng i th i gian th c GPS (DGPS Differential GPS)Đị ị ươ đố ờ ự 49
2.4 Tín hi u d n ng t v tinh trong h th ng GPSệ ẫ đườ ừ ệ ệ ố 51
2.4.1 C u trúc tín hi uấ ệ 51
2.4.2 Tính ch t v th nh ph n c a tín hi u GPSấ à à ầ ủ ệ 54
a) Chu i d li u 50bpsỗ ữ ệ 54
b) C u trúc c a b n tin d n ngấ ủ ả ẫ đườ 55
c) Mã C/A v c tính c a mã C/Aàđặ ủ 59
d) Mã P v các c tính c a mã Pà đặ ủ 66
e) Mã Y v các c tínhà đặ 68

2.5 C u trúc máy thu GPSấ 68
2.5.1 L c v khu ch i tín hi u cao t nọ à ế đạ ệ ầ 69
2.5.2 i t n v khu ch i trung t nĐổ ầ à ế đạ ầ 69
2.5.3 S hoá tín hi u GPSố ệ 71
2.5.4 X lý tín hi u b ng c sử ệ ă ơ ở 72
2.6 chính xác c a h th ng GPS v các l i ng truy nĐộ ủ ệ ố à ỗ đườ ề 75
2.6.1 chính xác c a GPSĐộ ủ 75
2.6.2 Sai s ph n v tinh v ph n i u khi nố ầ ệ à ầ đề ể 76
2.6.3 Sai s th i gian phát truy n ( Sai s do tr t ng i n ly)ố ờ ề ố độ ễ ầ đệ 77
CH¦¥NG 3: C I M KHAI TH C H TH NG D N NG V TINH ĐẶ ĐỂ Á Ệ Ố Ẫ ĐƯỜ Ệ
TRÊN M Y BAY BOEING 777Á 78
3.1 Gi i thi u h th ng d n ng v tinh trên máy bay Boeing 777ớ ệ ệ ố ẫ đườ ệ 78
3.2 Máy thu tín hi u v tinh GPS trên máy bay Boeing 777ệ ệ 79
3.2.1 S kh i máy thu GPS trên Boeing 777ơđồ ố 79
3.2.2 Nguyên lý l m vi c h th ng GPS trên máy bay Boeing 777à ệ ệ ố 80
a) S nguyên lý h th ngơđồ ệ ố 80
b) Nguyên lý ho t ng h th ng GPS trên Boeing 777ạ độ ệ ố 82
3.3 Ch c n ng các kh i trong h th ng GPS trên máy bay Boeing 777ứ ă ố ệ ố 84
3.3.1 Ch c n ng kh i thu nh n a ph ng th c MMRứ ă ố ậ đ ươ ứ 84
a) V trí t MMR (Multi- Mode Receiver)ị đặ 84
b) S ch c n ng c a kh i MMRơđồ ứ ă ủ ố 84
c) Các ch l m vi c c a MMRếđộ à ệ ủ 86
3.3.2 Kh i ngu n v anten GPSố ồ à 89
3.3.3 H th ng hi n thệ ố ể ị 90
9
a) Hi n th 2ể ị 90
3.3.4 Kh i d li u không khí v d n ng quán tính ADIRUố ữ ệ à ẫ đườ 93
a) Gi i thi u kh i ADIRU (Air Data Inertial Reference Unit)ớ ệ ố 93
b) Thông s d li u tham chi u quán tính c a ADIRUố ữ ệ ế ủ 94
3.3.5 H th ng c nh báo g n m t t GPWC (ground proximity warningệ ố ả ầ ặ đấ

computer) 95
3.3.6 H th ng tính toán v qu n lý chuy n bay FMCF (flightệ ố à ả ế
management computing function) 95
3.4 Công tác ki m tra m t tể ặ đấ 95
3.5 Công tác b o d ng cho h th ng GPS trên máy bay Boeing 777ả ưỡ ệ ố 96
3.5.1 Ki m tra v hi u ch nh h th ng GPS trên Boeing 777ể à ệ ỉ ệ ố 96
3.5.2 Tháo l p anten GPSắ 97
K T LU NẾ Ậ 97
TÀI LI U THAM KH OỆ Ả 98
10
LỜI NÓI ĐẦU
Nhằm đáp ứng cho các mục đích dẫn đường cũng như xác định vị trí
một cách chính xác, nhanh chóng và thuận tiện, một số quốc gia và tổ chức
quốc tế trên thế giới đã xây dựng nên các hệ thống định vị dẫn đường có độ
chính xác cao để thay thế cho các phương pháp định vị dẫn đường truyền
thống. Đó chính là hệ thống NAVSTAR-GPS, hay còn gọi là hệ thống GPS.
Đây là một hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu được Bộ Quốc Phòng Mỹ
xây dựng và phát triển vào năm 1973 và được hoàn thiện vào năm 1994, một
mặt đáp ứng cho các mục đích quân sự và một mặt nhằm mục đích thương
mại.
Bên cạnh đó, người Nga cũng tự xây dựng một hệ thống định vị dẫn
đường toàn cầu nhằm đáp ứng cho các mục đích quân sự cũng như thương
mại của mình để cạnh tranh với hệ thống GPS của Mỹ, đó chính là hệ thống
định vị dẫn đường toàn cầu GLONASS. Hệ thống này được xây dựng và phát
triển vào năm 1988 do 3 cơ quan của Nga hợp tác với nhau là
Scientific/Production Group on Applied Mechanics ở Krasnoyarsk chịu trách
nhiệm chế tạo vệ tinh, Scientific/Production Group on Space Device
Engineering ở Moscow chịu trách nhiệm chế tạo các thiết bị đo đạc dẫn
đường vệ tinh, trạm điều khiển, trạm theo dõi, các máy thu người sử dụng và
Russian Institute of Radionavigation and Time ở St. Petersburg chịu trách

nhiệm thiết lập hệ đồng bộ cho GLONASS các tiêu chuẩn tần số / thời gian ở
mặt đất và trên vệ tinh cũng như các kiểu máy thu người sử dụng.
Về cơ bản thì nguyên lý hoạt động và cấu trúc của hai hệ thống GPS
và GLONASS là giống nhau, tuy nhiên cũng có những khác nhau sẽ được đề
cập chi tiết trong phần nội dung của đồ án.
11
Vì sự khủng hoảng kinh tế cho nên người Nga đã gặp phải những khó
khăn khi hoàn thiện hệ thống GLONASS; hơn nữa, vì tính kinh tế khi sử dụng
hệ thống cũng như một số tính năng vượt trội của hệ thống GPS nên hiện nay
hệ thống GPS được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn.
Vì vậy, nội dung đồ án sẽ đi sâu vào khai thác dựa trên cơ sở hệ thống
NAVSTAR - GPS của Mỹ.
Với thời gian có hạn cũng như là hạn chế về tài liệu, vì tài liệu về lĩnh
vực này rất khó tiếp cận do việc phổ biến sử dụng hệ thống GPS ở Việt Nam
còn hạn chế cũng như tính độc quyền và bí mật công nghệ của các nước tư
bản, do đó việc khai thác hệ thống gặp rất nhiều khó khăn và không thể đề cập
được đầy đủ một cách chi tiết. Tuy nhiên, bằng nỗ lực bản thân, học viên
cũng đã đáp ứng được phần lớn các yêu cầu của đồ án đề ra, mặc dù không
thể không có những thiếu sót.
Nội dung của đồ án bao gồm 3 chương như sau:
Chương 1: Khái quát chung về các hệ thống dẫn đường vệ tinh quốc
tế
Chương 2: Nguyên lý làm việc của hệ thống dẫn đường vệ tinh
NAVSTAR
Chương 3: Đặc điểm khai thác hệ thống dẫn đường vệ tinh trên máy
bay Boeing 777
Hà Nội, ngày tháng năm
12
CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADIRS

 Air Data Inertial Reference System
Hệ thống tham chiếu quán tính và dữ liệu không khí
ADIRU
 Air Data Inertial Reference Unit
Khối tham chiếu quán tính và dữ liệu không khí
AFDS
 Autopilot Flight Director System
Hệ thống điều khiển dẫn đường tự động
AIMS
 Airplane Information Management System
Hệ thống quản lý thông tin máy bay
ARINC
 Aeronautical Radio Inc.
Viện vô tuyến hàng không
CDU
 Control Display Unit
 Khối hiển thị điều khiển
CMCF
 Central Maintenance Computing Function
 Hàm (chức năng) tính toán bảo dưỡng trung tâm
FCA
 Fault Containment Area
 Vùng có hỏng hóc
FCM
 Fault Containment Module
 Khối bị hỏng hóc
FIM
 Faul Isolation Manual
 Hướng dẫn xử lý hỏng hóc
FMCF

 Flight Management Computing Function
 Hàm (chức năng) tính toán quản lý chuyến bay
GPS
 Global Positioning System
 Hệ thống định vị toàn cầu
INS
 Inertial Navigation System
 Hệ thống dẫn đường quán tính
MAT
 Maintenance Access Terminal
 Máy tính truy xuất thông tin phục vụ bảo dưỡng
MEC
 Main Equipment Center
 Khoang thiết bị chính
NCD
 No Computed Data
 Dữ liệu không được tính toán
ND
 Navigation Display
 Màn hình dẫn đường
NVM
 Non-Volatile Memory
 Bộ nhớ cố định (không bị mất dữ liệu khi mất nguồn)
PFC
 Primary Flight Computer
 Máy tính điều khiển chuyến bay chính
13
CH¦¥NG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN
ĐƯỜNG VỆ TINH
1.1 Khái quát chung

Bắt đầu vào những thập niên 1960, hệ thống vệ tinh được thiết lập có ý
nghĩa quan trọng của việc dẫn đường trên trái đất. Hệ thống được thiết kế chủ
yếu cho việc xác định vị trí hàng ngày cho tàu bè. Nhưng đã bắt đầu đặt nền
móng cho việc sử dụng trong quá trình dẫn đường cho các phương tiện trên
không.
Bắt đầu vào những năm 1970, hệ thống dẫn đường vệ tinh đối với máy
bay được phát triển nhanh. Chúng được đầu tư sử dụng công nghệ cao và
mang lại hiệu quả kinh tế cao. Trong những năm tiếp theo hệ thống được sử
dụng một cách rộng rãi, và cho đến năm 1996 hệ thống được ứng dụng trong
việc dẫn đường đối với các máy bay trên toàn thế giới.
Hiện nay, trên thế giới đồng thời triển khai các hệ thống dẫn đường như:
 Navigation Satellities Time and Ranging Global Positioning System
(NAVSTAR-GPS) hay GPS: Là một hệ thống định vị dẫn đường toàn
cầu. Được phát triển vào năm 1973 và được hoàn thiện vào năm 1994
bởi “Bộ Quốc Phòng Mỹ”.
 Global Navigation Satellities System (GLONASS): Là một hệ thống
định vị dẫn đường toàn cầu do 3 cơ quan của Nga:
Scientific/Production Group on Applied Mechanics Kranoyarsk,
Scientific/Production Group on Space Device Engineering Moscow và
Russian Institute of Radio Navigation and Time cùng xây dựng và phát
triển.
 INMARSAT Civil Navigation Satellite Overlay: là hệ thống cung
cấp phần không gian (Space segment). Tổ chức INMARSAT đã thực
hiện những nghiên cứu và thử nghiệm dẫn đến việc phát triển vùng phủ
sóng vệ tinh địa tĩnh dân dụng cho GPS và GLONASS, nhằm cung cấp
14
dữ liệu cho phép các hệ thống dẫn đường vệ tinh đáp ứng được các yêu
cầu liên quan đến độ tin cậy và tích hợp thông tin của các nhà chức
trách hàng không và hàng hải.
Các hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc

độ và thời gian cho các máy thu ở mọi thời điểm trên trái đất, trong mọi điều
kiện thời tiết. Hệ thống có thể xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vài
mét và có thể giảm xuống chỉ còn vài centimet. Tất nhiên, độ chính xác càng
cao thì máy thu GPS càng phức tạp hơn và giá thành vì thế cũng tăng theo.
Hình 1.1: Các thành phần của hệ thống dẫn đường vệ tinh
Nhìn chung các hệ thống bao gồm 3 phần chính như sau:
 Phần không gian (Space Segment) bao gồm các vệ tinh không gian.
Có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu từ trạm điều khiển mặt đất, tín hiệu này
dùng để điều khiển sai lệch quỹ đạo vệ tinh trong khi bay, hiệu chỉnh
đồng hồ vệ tinh. Sau đó phát tín hiệu mang thông tin về vị trí vệ tinh,
thời gian chuẩn tới các thuê bao.
 Phần điều khiển (Control Segment) bao gồm: 1 trạm mặt đất điều
khiển trung tâm, một số trạm theo dõi và trạm hiệu chỉnh số liệu.
Nhiệm vụ phát và thu tín hiệu dùng trong việc tính toán và dự báo thời
15
điểm vệ tinh xuất hiện tại từng thời điểm một cách chính xác và hiệu
chỉnh.
 Phần sử dụng (User Segment) là các thuê bao (máy thu và xử lý tín
hiệu). Nhiệm vụ thu nhận tín hiệu mang thông tin vị trí và thời gian
chuẩn của vệ tinh, tính toán và đưa ra vị trí chính xác của các thuê bao.
1.2 Các hệ thống dẫn đường vệ tinh trên thế giới
1.2.1 Cơ sở chung về lý thuyết dẫn đường
Dẫn đường hàng không là một môn khoa học nghiên cứu về nguyên lý
làm việc, cấu tạo các thiết bị kỹ thuật, các phương pháp sử dụng, và các thiết
bị kỹ thuật để xác định vị trí và dẫn đường cho các phương tiện bay, đảm bảo
cho các phương tiện bay theo 1 hành trình định trước. Có các phương pháp
dẫn đường cơ bản sau:
a) Dẫn đường bằng địa tiêu (Pilotage): Trong thời kỳ đầu, máy bay
thường hoạt động với cự ly ngắn, tốc độ thấp, ở điều kiện thời tiết tốt,
người lái có thể quan sát được các địa tiêu trên mặt đất (các đỉnh núi,

con sông, ngọn tháp…) đã biết để dẫn đường cho máy bay tới điểm qui
định. Đây là phương pháp đơn giản nhất trong các phương pháp dẫn
đường.
b) Dẫn đường bằng sa đồ (Dead Reckoning): Phương pháp này sử dụng
la bàn từ để định hướng, sử dụng đồng hồ hộp màng để đo độ cao, tốc
độ, từ đó xác định được hướng cần bay từ đó đưa ra quyết định dẫn
đường. Đây là phương pháp cổ điển nhưng có độ chính xác không cao.
c) Dẫn đường thiên văn (Celestial Navigation): Căn cứ vào góc giữa trục
dọc máy bay và các thiên thể đã biết trước như: mặt trời, mặt trăng và
các ngôi sao ở từng thời điểm xác định để dẫn đường cho phương tiện
bay đến điểm quy định. Cũng như phương pháp dẫn đường bằng địa
16
tiêu, phương pháp dẫn đường bằng thiên văn chỉ được sử dụng khi điều
kiện thời tiết tốt.
d) Dẫn đường quán tính (Inertial Navigation): Trên máy bay, người ta
sử dụng thiết bị nhạy cảm để đo được gia tốc máy bay ở mọi hướng. Từ
đó sử dụng các mạch tích phân gia tốc theo thời gian cho ra được vận
tốc và quãng đường bay. Chúng ta có thể dễ dàng nhận ra phương pháp
dẫn đường quán tính là phương pháp làm việc độc lập, cho nên nó có
khả năng đảm bảo bí mật khi bay.
e) Dẫn đường vô tuyến (Radio Navigation): Sử dụng các máy thu phát
sóng vô tuyến được đặt tại những vị trí biết trước trên mặt đất hay trong
không gian và trên máy bay. Máy thu được đặt trên phương tiện bay, sau
khi thu nhận tín hiệu sóng vô tuyến sẽ tính toán đưa ra các tham số dẫn
đường. Phương pháp dẫn đường bằng vô tuyến cho kết quả có độ chính
xác cao, cự ly hoạt động lớn, ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết bên
ngoài. Hệ thống dẫn đường vệ tinh là một trong những phương pháp
trong dẫn đường vô tuyến.
1.2.2 Hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR
a) Giới thiệu

Thuật ngữ GPS (Global Positioning System) được sử dụng để mô tả các
hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu. Các hệ thống này đều dựa trên cơ sở ứng
dụng các khả năng của vệ tinh nhân tạo để định vị toạ độ người sử dụng trong
không gian 3 chiều với độ chính xác cao. Các hệ thống này có vùng bao phủ
toàn cầu và hoạt động tin cậy trong mọi điều kiện thời tiết với thời gian liên
tục suốt 24 giờ trong ngày.
Navigation Satellities Time and Ranging Global Positioning System
(NAVSTAR-GPS) hay GPS: Là một hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu
được phát triển vào năm 1973 và được hoàn thiện vào năm 1994 bởi “Bộ
17
Quốc Phòng Mỹ”. Hệ thống cho phép người sử dụng xác định vị trí, thời gian
và vận tốc một cách chính xác ở bất kỳ lúc nào, ở bất kỳ đâu và trong bất kỳ
điều kiện thời tiết nào trên thế giới.
Lúc đầu hệ thống này được phát triển chỉ dành cho mục đích quân sự,
tuy nhiên, sau đó cơ quan hàng không liên bang của Mỹ cũng đã chấp nhận
trong việc sử dụng hệ thống này cho các mục đích dân sự.
Hệ thống NAVSTAR bao gồm các hệ thống truyền và nhận tín hiệu về
vị trí và thời gian sử dụng sóng vô tuyến và các trạm không gian.
Hệ thống bao gồm 3 phần chính (như hình 1.1) bao gồm :
 Phần không gian (Space Segment) gồm các vệ tinh trong không gian.
 Phần điều khiển(Control Segment) là các trạm điều khiển đạt ở mặt
đất để điều khiển và hiệu chỉnh toàn bộ hệ thống.
 Phần sử dụng (Use Segment) là các máy thu và xử lý tín hiệu vệ tinh.
b) Cấu trúc hệ thống NAVSTAR - GPS
 Phần vệ tinh không gian
Các vệ tinh được sắp xếp trên 6 mặt phẳng quỹ đạo tròn và nghiêng so
với mặt phẳng xích đạo một góc bằng 55
0
. Trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo có từ
3 đến 4 vệ tinh cùng hoạt động và các vệ tinh này lệch pha nhau 90

0
. Các quỹ
đạo này nằm ở độ cao 20.200km. Các vệ tinh được sắp xếp trong không gian
sao cho hầu hết các vùng trên mặt đất luôn nhìn thấy được ít nhất 4 vệ tinh
trong suốt 24 giờ một ngày. Thời gian đi hết một vòng quỹ đạo của vệ tinh là
11 giờ 58 phút. Bao gồm một chùm 24 vệ tinh, trong đó 21 vệ tinh ở trạng
thái hoạt động, 3 vệ tinh còn lại được sử dụng để dự phòng cho hệ thống.
18
Hình 1.2: Các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống GPS
Mỗi vệ tinh liên tục truyền tín hiệu trên hai tần số trong dải băng tần L:
L1 = 1575,42 MHz và L2 = 1227,6 MHz.
Tần số L1 mang cả mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P (Precision),
trong khi đó tần số L2 chỉ mang mỗi mã P. Ngoài ra, cả hai tần số này còn
mang theo các dữ liệu thông tin dẫn đường như: thời gian đồng hồ vệ tinh, các
thông số về thiên văn, các thông tin về tình trạng của tín hiệu vệ tinh, thời
gian chuẩn của hệ thống (UTC) và thông tin về đồng bộ. Mã P được dành
riêng cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và những người sử dụng mã
này cần phải được phép của “Bộ Quốc Phòng Mỹ”, trong khi đó mã C/A được
sử dụng miễn phí cho mọi mục đích. Mỗi vệ tinh được gắn cho một mã C/A
và mã P riêng. Các mã này được dùng để nhận biết vệ tinh gọi là mã vàng
(Gold Code).
 Phần điều khiển hệ thống
Phần điều khiển bao gồm: 1 trạm điều khiển trung tâm (Master Control
Station) và 5 trạm theo dõi vệ tinh (Monitor Station), 3 trong số đó là trạm
hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) đặt trên mặt đất, liên tục giám sát đường
đi của các vệ tinh trong không gian .
19
Hình 1.3: Vị trí đặt trạm điều khiển GPS trên mặt đất
Các trạm trong phần điề khiển có nhiệm vụ:
+Giám sát và hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh.

+Tính toán và gởi các bản tin dẫn đường vệ tinh. Bản tin này được cập
nhật hàng ngày mô tả về vị trí vệ tinh trong tương lai và thu nhận dữ liệu từ
tất cả các vệ tinh gởi về.
+Cập nhật các bản tin dẫn đường vệ tinh một cách thường xuyên.
Hình 1.4: Phần điều khiển vệ tinh trong hệ thống GPS
Trạm điều khiển trung tâm đặt ở Colarado Spring, Colorado USA. Trạm
trung tâm điều phối mọi hoạt động trong phần điều khiển. Trạm điều khiển
trung tâm có 1 đồng hồ nguyên tử, thời gian của đồng hồ này được dùng để
20
truyền đến cho vệ tinh, là thời gian chuẩn để hiệu chỉnh đồng hồ nguyên tử
của vệ tinh.
Các trạm giám sát theo dõi vệ tinh 24h trên 1 ngày. Trạm điều khiển
trung tâm sẽ điều khiển các trạm giám sát thông qua các đường nối. Các điểm
đặt trạm giám sát của hệ thống trên trái đất:
+Ascension island
+Colorado Spring, Colorado USA
+Diego Garcia island
+Hawaii
+Kawajalein island
Trạm theo dõi thông tin gởi xuống từ vệ tinh:
+Báo cáo chính xác của thời gian của đồng hồ vệ tinh.
+Tậm hợp chuyển cho trạm điều khiển mọi thông tin về dữ liệu khí
tượng bao gồm: áp suất khí áp, nhiệt độ, điểm sương. Trạm điều khiển trung
tâm sử dụng những dữ liệu này để tính toán và đưa ra dự báo về quỹ đạo vệ
tinh trong tương lai.
Trạm điều khiển trung tâm sử dụng các trạm hiệu chỉnh số liệu để gởi
thông tin cho vệ tinh bao gồm:
+Mệnh lệnh hiệu chỉnh quỹ vệ tinh. Vệ tinh sử dụng tín hiệu này để khởi
động các tên lửa điều khiển đưa vệ tinh về quỹ đạo đúng.
+Bản tin dẫn đường đến vệ tinh.

Các trạm hiệu chỉnh số liệu là các trạm được đặt ở Ascension island,
Diego Garcia island và Kawajalein island.
 Phần sử dụng
Bao gồm các thiết bị thu tín hiệu GPS sử dụng cho nhiều mục đích khác
nhau. Kiểu loại thiết bị thu hết sức đa dạng, từ các thiết bị xách tay không đắt
21
tiền đến các hệ thống phức tạp đòi hỏi phải được cấp chứng chỉ chất lượng kỹ
thuật để trang bị cho các trung tâm dẫn đường, điều hành bay.
Hình 1.5: Phần thiết bị sử dụng dẫn đường GPS
Thiết bị máy thu tín hiệu GPS chủ yếu gồm anten thu, bộ phận giải mã,
bộ phận xử lý các mã của tín hiệu vệ tinh GPS, riêng đối với ngành hàng
không nó còn xử lý các thông tin dẫn đường và truyền hiển thị các thông tin
cho tổ lái và một số thiết bị cần sử dụng dữ liệu GPS trong quá trình bay.
Khi bật công tắc nguồn của thiết bị máy thu GPS lên, máy thu sẽ tự
động cung cấp các giải pháp dẫn đường chính xác mà không cần phải nạp các
dữ liệu từ bên ngoài. Điều đó chỉ có thể thực hiện được khi máy thu nhận
được tín hiệu từ số vệ tinh sao đảm bảo cung cấp đủ dữ liệu cho bài toán xác
định vị trí.
Đối với các giải pháp dẫn đường 2 chiều, tức là khi đã xác định được độ
cao chỉ cần xác định kinh độ và vĩ độ, khi đó cần phải có ít nhất tín hiệu từ 3
vệ tinh, còn đối với các giải pháp dẫn đường 3 chiều thì cần phải có ít nhất tín
hiệu từ 4 vệ tinh nằm ở trong vùng bao phủ mà máy thu có thể nhìn thấy.
Việc xử lý tín hiệu từ 3 hoặc 4 vệ tinh có thể tiến hành đồng thời hoặc tuần tự.
- Các thiết bị thu thường gồm 3 thành phần chính:
+Anten và các thiết bị điện tử đi kèm.
22
+Bộ phận nhận và xử lý tín hiệu.
+Màn hình điều khiển.
c) Các thông số kỹ thuật của hệ thống NAVSTAR
 Vệ tinh: 24 vệ tinh

Quỹ đạo tròn : 12 giờ (bán kính 26.000km). Với 6 mặt phẳng quỹ đạo
Độ nghiêng so với đường kính xích đạo: 55
0

 Trạm kiểm tra mặt đất:
01 Trạm điều khiển chính.
05 Trạm kiểm tra phân bố rải rác.
03 Anten mặt đất phân bố rải rác.
 Số thuê bao sử dụng: Không hạn chế.
 Giải tần số:
L1: 1575,42 MHz
Mã C/A 1,023 Mbits/s
Mã P 10,23 Mbits/s
Thông tin dẫn đường 50 bits/s
L2: 1227,6 MHz
Mã P 10,23 Mbits/s
Thông tin dẫn đường 50 bits/s
 Các hệ thống sử dụng và độ chính xác:
PPS SPS
Định vị ngang 18m (95%) 100m (95%)
Định vị đứng 28m (95%) 157m (95%)
Tốc độ 0,2m/s (95%)
23
Thời gian 180ns (95%)385ns (95%)
Trong đó, PPS là hệ thống định vị chính xác, SPS là dịch vụ định vị
chuẩn.
 Thời gian đặt:
Khi lịch đã nạp trước : 1÷5 phút (tuỳ thiết bị của người sử dụng)
Khởi động nguội : 20 phút.
 Tầm bao phủ: Toàn cầu.

 Độ toàn vẹn: Hệ thống kiểm tra và phát hiện sai số ở trong vệ tinh,
thời gian tác dụng thường nhỏ hơn 90 phút (một số vệ tinh có thể nằm
ngoài tầm nhìn thấy của các trạm kiểm soát đến 2 giờ).
 Tương thích với thời gian: UTC giờ quy ước chung.
 Phương pháp định vị: Kiểu thụ động, đo khoảng cách 1 chiều.
 Thời gian triển khai thực hiện Block II: 3 chiều toàn cầu năm 1992.
 Khả năng sử dụng cho mục đích thông tin: Không.
 Mốc trắc địa: WGS-84.
 Nâng cấp hệ thống: Độ chính xác và độ toàn vẹn có thể cải thiện
bằng cách sử dụng ở dạng vi sai, tức là dùng các trạm kiểm tra mặt đất
giám sát vệ tinh và truyền các hiệu chỉnh khoảng cách.
d) Vệ tinh NAVSTAR
Mẫu đầu tiên của dạng vệ tinh Block I được phóng vào năm 1978 tại
Vandenberf Air Force - California. Đến năm 1985, 10 vệ tinh đã được phóng.
Hiện nay, tất cả các vệ tinh Block I không còn hoạt động, mặc dù vẫn còn một
vệ tinh phát không liên tục. Các vệ tinh này được thiết kế với tuổi thọ 4,5
năm. Sự khác nhau chủ yếu giữa các vệ tinh này và các thế hệ sau là nó không
có khả năng làm suy giảm tín hiệu phát, cho nên nó làm giảm độ chính xác
của người sử dụng đối với hệ thống GPS. Thế hệ thứ 2 được phóng lần đầu
24
tiên vào năm 1985, những vệ tinh này có khả năng làm suy giảm tín hiệu và
được thiết kế với tuổi thọ là 7,5 năm. Sau đây là một số thông số kỹ thuật của
các vệ tinh Block IIA:
 Trọng lượng : 930kg (trên quỹ đạo)
 Kích thước : 5,1ms
 Tốc độ di chuyển : 4km/s
 Phát tín hiệu trên dải tần L1 = 1575,42MHz và L2 = 1227,60MHz.
 Thu tín hiệu tần số 1738,74MHz.
 02 Đồng hồ nguyên tử Cesium và 02 đồng hồ nguyên tử Rubidium.
 Tuổi thọ thiết kế : 7 năm

 Được phóng bằng tên lửa Delta.
Vệ tinh của Block IIR được thiết kế với tuổi thọ dài hơn là 10 năm và có
khả năng liên lạc vệ tinh với vệ tinh, được phóng vào năm 1996 để duy trì
chòm vệ tinh. Thế hệ tiếp theo là các vệ tinh Block IIF, sau khi kiểm nghiệm
được công bố là hoạt động với đầy đủ chức năng vào ngày 17/7/1995.
Hình 1.6: Các thế hệ vệ tinh trong hệ thống GPS
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 chỉ số phân biệt. Chỉ số đầu tiên dựa trên
thứ tự phóng gọi là số NAVSTAR, hay số vệ tinh SVN (Space Vehicle
Numbers). Đây là hệ được sử dụng theo quy định của cơ quan chương trình
chung của Mỹ. Tuy nhiên, chỉ số thứ 2 được người sử dụng chính thức công
25