Định vị và dẫn đường điện tử

Bộ mônBộ môn Kỹ thuật Thông tinKỹ thuật Thông tin
Hà nội, 11 - 2009
Email:
Giảng viên: Hán Trọng thanhGiảng viên: Hán Trọng thanh
Trường ðại Học Bách Khoa Hà NộiTrường ðại Học Bách Khoa Hà Nội
Khoa ðiện tử Khoa ðiện tử Viễn thôngViễn thông
ðịnh vị và dẫn ñường ñiện tửðịnh vị và dẫn ñường ñiện tử
( Electronics Positioning and Navigation )( Electronics Positioning and Navigation )
Hệ thống ñịnh vị toàn cầu Hệ thống ñịnh vị toàn cầu
GPSGPS
GGlobal lobal PPositioning ositioning SSystemystem
ξξ 1. Giới thiệu chung1. Giới thiệu chung
Tên ñầy ñủ của hệ thống:
NAVSTAR GPS
NAVigation Satellite Timing And Ranging
Global Positioning System
Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS
→ Hệ thống dẫn ñường vệ tinh
GNSSGNSS
GNSS = Global Navigation Satellite Systems -> satellite
navigation systems that provide autonomous geo-spatial positioning
with global coverage.
- GNSS allows small electronic receivers to determine their location
(longitude, latitude, and altitude). Receivers on the ground with a fixed
position can also be used to calculate the precise time as a reference for
scientific experiments.
- As of 2009, the United States NAVSTAR Global Positioning System
(GPS) is the only fully operational GNSS.
- The Russian GLONASS is a GNSS in the process of being restored to
full operation.
- The European Union's Galileo positioning system is a GNSS in initial

deployment phase, scheduled to be operational in 2013.
- The People's Republic of China : regional Beidou navigation system ->
the global Compass navigation system by 2015.
1. ðặc ñiểm của hệ thống GPS1. ðặc ñiểm của hệ thống GPS
1. Có ñộ chính xác cao.
2. Phủ sóng toàn cầu 24/24.
3. Là hệ thống thụ ñộng - passive system.
4. Vận hành trong mọi ñiều kiện thời tiết.
2. Cấu trúc hệ thống GPS2. Cấu trúc hệ thống GPS
• Quỹ ñạo ở ñộ cao
• 20 200 km
• 1 vòng quay ≈ 12 giờ
→ Tính chính xác: theo
phương ñứng, ngang và thời
gian.
→ Tính sẵn có: tại 1 thời ñiểm
thu ñược tín hiệu của ít nhất 4
vệ tinh
→ ðộ bao phủ: có thể thu ñược
tín hiệu GPS tại mọi vị trí trên
trái ñất.
Ký hiệu: Vệ tinh GPS
SV: Space Vehicle
• Gồm 24+ vệ tinh satellites
→ 24 SV
 6 mặt phẳng nghiêng 55° so
với mặt phẳng xích ñạo.
 Mỗi mặt phẳng gồm 4 SV
- Có các SV tích cực và dự phòng.
 Các SV liên tục phát quảng

bá thông tin vị trí và thời
gian trên hai tần số L1 và L2.
Cấu trúc hệ thốngCấu trúc hệ thống
Khâu không gian
Khâu người dùng
Khâu ñiều khiển
Khâu không gian Khâu không gian hệ vệ tinhhệ vệ tinh
• Liên tục phát quảng bá các bản tin dẫn ñường trên
tín hiệu vệ tinh ñến máy thu GPS (mang thông tin
vị trí của SV và thời ñiểm phát bản tin).
• Duy trì thời gian tham chiếu với ñộ chính xác cao
( sai số từ 10
-12
ñến 10
-14
sec).
• Nhận và lưu trữ các thông tin từ trạm ñiều khiển
mặt ñất;
• Thực hiện hiệu chỉnh quỹ ñạo vệ tinh và sai số ñồng
hồ.
Chùm vệ tinh GPSChùm vệ tinh GPS
Chùm vệ tinh GPSChùm vệ tinh GPS
GPS satellites are identified in diff
ffff
fferent ways:
- position in the orbital plane [every satellite has a
place (1, 2, 3, ), inside the six orbits - A, B, C, D,
E or F],
- NASA reference number,
- international identification number,

- PRN code (pseudorandom noise code),
- space vehicle number (SVN)
TYPE
CLOCK
OSCILLATION
FREQUENCY
[GHZ]
FREQUENCY
OFFSET
∆f/f
TIME TO
LOSE
ONE
SECOND
Quartz crystal
oscillator
0.005 (typical)
10
-9
30 years
Rubidium 6,834,682,613 10
-12
30,000 years
Cesium
9,192,631,770
10
-13
300,000
years
Hydrogen

maser
1,420,405,751
10
-15
30,000,000
years
ðộ chính xác của ñồng hồ
Khâu ñiều khiểnKhâu ñiều khiển
Master Control Station
Monitor Station
Ground Antenna
Colorado
Springs
Hawaii
Ascension
Islands
Diego
Garcia
Kwajalein
Control Segment: Monitor and Control
Theo dõi và ñiều khiển
Khâu ñiều khiểnKhâu ñiều khiển
• Liên tục theo dõi các vệ tinh ñể xử lý dữ liệu nhận
ñược nhằm tính toán các thông số lịch vệ tinh (vị trí
và thời gian)
• Kiểm tra trạng thái của toàn hệ thống, các ñồng
hồ của từng vệ tinh cụ thể.
• Gửi thông tin hiệu chỉnh quỹ ñạo vệ tinh và sai số
ñồng hồ lên các SV qua các upload station.
5 trạm theo dõi

Monitor Stations
•
Hiệu chỉnh quỹ ñạo
và sai số ñồng hồ.
•
Tạo bản tin dẫn ñường mới.
Trạm ñiều khiển chính
1 MCS
Trạm gửi dữ liệu
lên vệ tinh
3 Upload Station
Khâu ñiều khiển
•
Theo dõi
lịch vệ tinh
và ñồng hồ
SV
Master Control Station
( Ground Antenna)
Control SegmentControl Segment
Khâu người dùng GPSKhâu người dùng GPS
- Máy thu GPS là một thiết bị thụ ñộng. Chỉ thực
hiện thu tín hiệu vệ tinh mà không phát tín hiệu.
- Sai số ño ñạc của máy thu GPS tùy thuộc vào dịch
vụ ñịnh vị ñược sử dụng (SPS hoặc PPS).
GPS receiver
Information flow between segments
• Dân sự : Dịch vụ ñịnh vị tiêu chuẩn SPS
Standard Positioning Service.

– mã C/A tại tần số L1
– Sai số ño:
• Theo phương ngang ∆
1
≈ 100 m
• Theo phương ñứng ∆
2
≈ 156 m
• Thời gian ∆
3
≈ 340 ns
Các dịch vụ GPSCác dịch vụ GPS
• Quân sự : Dịch vụ ñịnh vị chính xác PPS
Precise Positioning Service
– mã P tại tần số L1 hoặc L2
– Sai số ño:
• Theo phương ngang ∆
1
≈ 22 m
• Theo phương ñứng ∆
2
≈ 27,7 m
• Thời gian ∆
3
≈ 100 ns
Basic Positioning: Before May 2000
Basic Positioning: Before May 2000
•
•
C/A Code on L1

C/A Code on L1
•
•
Selective Availability
Selective Availability
25-100 m
25-100 m
Basic Positioning: Today
Basic Positioning: Today
•
•
C/A Code on L1
C/A Code on L1
•
•
No Selective Availability
No Selective Availability
5-10 m
5-10 m
100 m One signal, 100 m One signal,
SA “on”SA “on”
10 m One signal,
SA “off”
5 m by 2015
Multiple sinals,
reduced atmospheric errors
Communications
Communications
Network
Network

S ynchronization
S ynchronization
and Timing
and Timing
S urveying &
S urveying &
Mapping
Mapping
Fishing &
Fishing &
Boating
Boating
Off shore
Off shore
Drilling
Drilling
Recreation
Recreation
Trucking &
Trucking &
S hipping
S hipping
Personal
Personal
Navigation
Navigation
Aviation
Aviation
Railroads
Railroads

Power Grid
Power Grid
Interfaces
Interfaces
Major GPS Markets
Major GPS Markets
S atellite
S atellite
Operations
Operations
Các nguồn gây sai số ñịnh vị vệ tinhCác nguồn gây sai số ñịnh vị vệ tinh
Sai số
ñồng hồ
vệ tinh
Sai số quỹ ñạo
Trễ tầng ñiện ly - Ionosphere
Trễ tầng ñối lưu - Troposphere
Truyền ña ñường
Nhiễu tại máy thu
Satellite
khúc xạ
1
2
3
4
• Do khí quyển
– Khúc xạ
• Các hạt mang ñiện
• Hơi nước
Ionosphere

(Charged Particles)
Troposphere
Các nguồn gây sai số ñịnh vị vệ tinhCác nguồn gây sai số ñịnh vị vệ tinh
tầng ñiện ly
tầng ñối lưu