Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS và ứng dụng trong nghành hàng không

LỜI CẢM ƠN
Sau 5 năm học tập tại trường, được sự tận tình dạy dỗ của các thầy cô.
Em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Nghiên cứu hệ thống định vị toàn
cầu GPS và ứng dụng trong nghành hàng không .”
Em xin gởi lời cám ơn đến ban lãnh đạo nhà trường, quý thầy cô trong
bộ môn Công Nghệ Điên Tử đã truyền đạt những kiến thức quý báu làm cơ sở
cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Em đặc biệt cám ơn cô giáo Nguyễn Thị Dung là người trực tiếp
hướng dẫn em thực hiện đề tài này.
Em cũng xin được cám ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè đã tạo cho em
những điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài.

SVTH: Lê Quang Huy

0


LỜI CAM ĐOAN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời gian quy định và đáp ứng được
yêu cầu đề ra, em đã cố gắng tìm hiểu, học hỏi, tích lũy kiến thức đã học. Em có
tham khảo một số tài liệu đã nêu trong phần “Tài liệu tham khảo” nhưng không
sao chép nội dung từ bất kỳ đồ án nào khác.
Em xin cam đoan đồ án là công trình nghiên cứu của cá nhân nghiên cứu,
xây dựng dưới sự hướng dẫn của cô giáo Nguyễn Thị Dung. Nội dung lý thuyết
trong đồ án có sự tham khảo và sử dụng của một số tài liệu, thông tin được đăng
tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu của đồ án.
Em xin cam đoan những lời khai trên là đúng, mọi thông tin sai lệch em
xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng.

Thái Nguyên, ngày tháng 6 năm 2012

Sinh viên thực hiện:
Lê Quang Huy

1


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 4
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH ............... 9
1.1. Khái quát về định vị ..................................................................................9
1.2. Nguyên lý của hệ thống thông tin vệ tinh .................................................9
1.2.1. Quỹ đạo cực tròn ............................................................................... 10
1.2.2. Quỹ đạo elip nghiêng ........................................................................ 10
1.2.3. Quỹ đạo xích đạo tròn ....................................................................... 10
1.3. Đặc điểm của thông tin vệ tinh................................................................ 11
1.4. Hệ thống của thông tin vệ tinh cơ bản ..................................................... 12
1.5. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh .................................................... 13
1.6. Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh ....................................................... 14
1.6.1. Nguyên lý đo cự ly trong phép định vị vệ tinh ................................... 16
1.6.2. Các nguồn gây sai số trong phép đo .................................................. 19
1.7. Sai số quỹ đạo vệ tinh ............................................................................. 21
1.7.1. Sai số do tầng điện ly ........................................................................ 22
1.7.2. Sai số do tầng đối lưu ........................................................................ 23
1.7.3. Nhiễu đa đường ................................................................................. 23
1.7.4. Các sai số của máy thu ....................................................................... 24
1.8 Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh ....................................... 24
1.8.1. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA ................... 24
1.8.2. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA .............. 25
1.8.3. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA ....................... 26

1.9. Phương pháp đa truy nhập phân phối trước và đa truy nhập phân phối theo
yêu cầu. ......................................................................................................... 28
1.9.1. Đa truy nhập phân phối trước ............................................................ 28
1.9.2. Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu ................................................. 28
1.11. Suy hao trong thông tin vệ tinh ............................................................. 30
1.11.1. Suy hao trong không gian tự do ....................................................... 30

2


1.11.2. Suy hao do tầng đối lưu ................................................................... 31
1.11.3. Suy hao do tầng điện ly .................................................................... 32
1.11.4. Suy hao do thời tiết ......................................................................... 32
1.11.5. Suy hao do đặt anten chưa đúng ...................................................... 33
1.11.6. Suy hao trong thiết bị phát và thu .................................................... 33
1.11.7. Suy hao do phân cực không đối xứng .............................................. 33
1.12. Tạp âm trong thông tin vệ tinh .............................................................. 34
1.12.1. Nhiệt tạp âm hệ thống ..................................................................... 34
1.13. Hiệu ứng Doppler ................................................................................. 41
1.14. Trễ truyền dẫn....................................................................................... 41
CHƯƠNG II: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS ................................... 42
2.1. Sự ra đời của hệ thống GPS ................................................................... 42
2.2. Cấu tạo của hệ thống GPS....................................................................... 48
2.2.1. Chùm vệ tinh ..................................................................................... 48
2.2.2. Hệ thống điều khiển mặt đất .............................................................. 48
2.2.3. Bộ phận người sử dụng ..................................................................... 49
2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống .......................................................... 49
2.4. Điều chế và giải điều chế GPS ................................................................ 51
2.4.1. Điều chế tín hiệu GPS ....................................................................... 51
2.4.2. Giải điều chế GPS ............................................................................. 52

2.5. Phương pháp tạo mã C/A ........................................................................ 52
2.6. Các loại mã ............................................................................................. 53
2.6.1. Mã C/A ............................................................................................. 53
2.6.2. Mã P ................................................................................................. 53
2.7. Cấu trúc dữ liệu GPS .............................................................................. 54
2.8. Mối quan hệ giữa các chức năng của hệ thống GPS ................................ 58
2.9. Hệ quy chiếu không gian và thời gian ..................................................... 58
2.10. Các hệ thống định vị khác ..................................................................... 59
2.10.1. Hệ thống định vị toàn cầu Glonass .................................................. 59
2.10.2. Galileo của châu âu ......................................................................... 60

3


2.10.3. Beidou ............................................................................................. 60
2.10.4. Irnss ................................................................................................ 61
2.10.5. Qzss ................................................................................................ 61
2.11. Ưu điểm của hệ thống so với các hệ thống khác .................................... 61
CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH ........................ 62
TRONG NGÀNH HÀNG KHÔNG................................................................... 62
3.1. Hạn chế của hệ thống dẫn đường truyền thống ........................................ 62
3.2. Cấu trúc hệ thống Testbed...................................................................... 62
3.2.1. Thiết bị TRS...................................................................................... 63
3.2.2. Thiết bị TVR ..................................................................................... 63
3.2.3. Trung tâm khai thác hệ thống (SOC) ................................................. 63
3.2.4. Thiết bị TUP ..................................................................................... 63
3.3. Các hệ thống tăng cường dẫn đường ....................................................... 63
3.3.1. Hệ thống SBAS ( Satellite Based Augmentation System ) ................. 64
3.3.2. Hệ thống GBAS ( Ground-Based Augmentation System ) ................. 67
3.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống tăng cường ............................... 69

KẾT LUẬN ....................................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 72

4


Mục lục
Hình 1.1. Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh .....................................................9
Hình 1.2. Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh .................................................................... 10
Hình 1.3. Liên lạc giữa hai trạm mặt đất qua vệ tinh .......................................... 12
Hình 1.4. vị trí các vật thể được xác định qua 4 phép đo ................................... 14
Hình 1.5. định vị điểm bằng vệ tinh ................................................................... 15
Hình 1.6. Miêu tả 3 phép đo bằng 3 vệ tinh ...................................................... 16
Hình 1.7. Miêu tả xác định ví trí ....................................................................... 16
Hình 1.8: Mã giả ngẫu nhiên PRC .................................................................... 17
Hình 1.9. Phương pháp đo giả cự ly................................................................... 19
Hình 1.11. Các sai số do lỗi ............................................................................... 20
hình 1.12. sai số do tầng điện ly......................................................................... 22
Hình 1.13. Nhiễu đa đường................................................................................ 23
Hình 1.14. Truy nhập theo tần số ....................................................................... 24
Hình 1.15. Đa truy nhập phân chia theo thời gian .............................................. 25
Hình 1.16. Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa (nhỏ) và do tầng điện ly theo tần số .. 29

Hình 1.17. Sai lệch do đặt anten chưa đúng ....................................................... 33
Hình 1.18. Suy hao trong thiết bị phát và thu ..................................................... 33
Hình 1.19. Các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến thông tin vệ tinh .......................... 34
Hình 1.20. Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh ............................... 38
Hình 1.21. Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh .................................. 39
Hình 1.22. Đặc tính vào ra của TWT ................................................................. 40
Hình 1.24. Mức lùi đầu vào và lùi đầu ra ........................................................... 40

Hình 2.1. Qũy đạo các vệ tinh GPS................................................................... 47
Hình 2.2. Các trạm điều khiển mặt đất ............................................................... 48
Hình 2.3. Cấu tạo hệ thống ................................................................................ 49
Hình 2.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống ..................................................... 49
Hình 2.5. Sơ đồ điều chế................................................................................... 51
Hình 2.6. Giải điều chế ...................................................................................... 52
Hình 2.7. Phương pháp tạo mã C/A ................................................................... 53

4


Hình 2.8. Cấu trúc dữ liệu GPS ......................................................................... 54
Hình 2.9. Mô tả định dạng điện văn .................................................................. 55
Hình 2.10. Cấu trúc từ TLM ............................................................................. 56
Hình 2.11. Cấu trúc từ HOW ............................................................................ 57
Hình 2.12. Mối quan hệ các chức năng của hệ thống GPS ............................... 58
Bảng 3.1. Các hạn chế của hệ thống dẫn đường hiện tại .................................... 62
Hình 3.1. Cấu trúc hệ thống ............................................................................... 62
Hình 3.3. Hệ thống SBAS................................................................................. 64
Hình 3.2. Cấu trúc và nguyên lý hệ thống SBAS ............................................... 64
Hình 3.4. GBAS comfonents ............................................................................. 67
Hình 3.5. Hệ thống GBAS ................................................................................. 68
Hình 3.6. Cấu trúc hệ thống GBAS.................................................................... 68

5


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, thế giới thông tin ngày càng phát triển một cách đa dạng và
phong phú. Nhu cầu về thông tin liên lạc trong cuộc sống càng tăng cả về số

lượng và chất lượng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành Viễn Thông càng mở rộng.
Trong những năm gần đây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bước tiến
vượt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đưa con người nhanh chóng tiếp cận với các
tiến bộ khoa học kỹ thuật.
Sự ra đời của nhiều loại phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi
hỏi một kỹ thuật mà các hệ thống cũ không thể đáp ứng được đó là định vị trong
không gian ba chiều, đứng trước sự đòi hỏi đó chính phủ Mỹ đã tài trợ một
chương trình nghiên cứu hệ thống định vị trong vũ trụ.
Được sự hướng dẫn của Cô giáo Nguyễn Thị Dung em đã chọn đề tài
“Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS và ứng dụng trong hàng không” cho
đồ án tốt nghiệp của mình.
Nội dung của đồ án gồm 3 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh
Chương 2: Hệ thống định vị toàn cầu GPS
Chương 3: Ứng dụng hệ thống GPS trong ngành hàng không
Chương 1: Cung cấp các khái niệm cơ bản về TTVT, về định vị, cơ sở lý
thuyết của phép định vị bằng vệ tinh, phương trình đo mã, thiết lập mô hình toán
học của phép đo cũng như các nguồn gây sai số của phép đo và tìm hiểu về các
phương pháp và những ảnh hưởng của tạp âm và suy hao trong thông tin vệ tinh.
Chương 2: Tìm hiểu về ưu điểm, chức năng, cấu tạo, cấu trúc-đặc tính tín
hiệu, định dạng dữ liệu điện văn GPS và cũng như thông tin dẫn đường của GPS.
Chương 3: Sẽ trình bày ứng dụng của hệ thống GPS vào hàng không,
đồng thời xét hai hệ thống tăng cường GBAS và SBAS.

Sinh viên thực hiện
Lê Quang Huy

6

CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN
Từ viết tắt
GPS

Tiếng Anh

Tiếng việt

Global Positioning Systems

GLONASS Global navigation

Hệ thống định vị toàn cầu
Định vị toàn cầu của Nga
Định vị toàn cầu của Châu Âu

CDMA

Code Division Multiplex Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

Satellite

Vệ tinh

LEO

Low Earth Orbit

Quỹ đạo thấp

D/C

Down Converter

Bộ hạ tần

U/C

Up Converter

Bộ nâng tần

HPA

High Power Amplifier

Bộ khuếch đại công suất cao

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

PRN

Pseudo Random Code

Mã giả ngẫu nhiên

BPSK

Binary Phase Shift Key

Khóa dịch pha nhị phân

precise hoặc protectd

Mã chính xác hoặc mã bảo vệ

C/A

Coarse/Acquired

Mã

S/A

Selective Availability

Là một loại tín hiệu

NDB

Non – Directional Radio Beacon

DME

Distance Measuring Equipment

Đài đo cự ly

Instrument Loading Sysem

Là hệ thống thiết bị mặt đất

S

P

ILS
VOR

SBAS

GBAS
GMS

Very High Frequency Omi
Range

Đài phát sóng dài phát vô
hướng

Đài vô tuyến phương vị mặt đất

Satellite Based Augmentation

Hệ thống tăng cường trên vệ

System

tinh

Ground-Based Augmentation

Hệ thống tăng cường trên mặt

System

đất

Ground Monitor Station

Trạm giám sát mặt đất

7


MCS

Master Control Station

Trạm điều khiển chính

GS

Ground System

Hệ thống mặt đất

AS

Aircraft System

Hệ thống trên máy bay

CNMP

Multipath error confidence
bounds

Gới hạn nhiễu đa đường

TROP

Troposphere delay

UDRE

User Differential Range Error

GIVE

Grid Ionosphere Vertical Error

Lỗi lưới dọc ion

VPL

Vertical protection level

Mức bảo vệ dọc

HPL

Horizontal protection level

Mức bảo vệ ngang

Earth Cented Earth Fixed

Hệ tọa độ có gốc tọa độ đặt tại

Coordnate

tâm của trái đất và cố định

ECEF

WGS-84

Trể tầng đối lưu

World Geodetic System -1984

Lỗi sai lệch cự ly người dùng vệ
tinh

Hệ thống trắc địa học toàn cầu
1984

UTC

Universal Time Coordinated

Là một hệ thời gian

TLM

Telemetry

Là từ đầu tiên của khung dữ liệu

HOW

Hand-over

Là từ thứ 3 của khung dữ liệu

International Civil Aviation

Tổ chức hàng không dân dụng

Organization

quốc tế

IGP

Ionosphere Grid Piont

Điểm lưới tầng ion

IPP

Ionospheric Pierce Points

Điểm xuyên qua tầng Ion

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

Frequency Division Multiplex

Đa truy nhập phân chia theo tần

Access

số

ICAO

FDMA

TDMA

Time Division Multiplex Access

8

Đa truy nhập phân chia theo
thời gian


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
1.1. Khái quát về định vị
Thật vậy, từ xa xưa con người đã biết vận dụng nhiều phương pháp như:
- Định vị cổ điển như quan sát theo dõi các ngọn núi, tòa nhà cao...
- Định vị quan sát các chòm sao và hành tinh trên vũ trụ: như sao Bắc đẩu
để xác định vị trí của mình tuy là không chính xác lắm.
Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và các phương pháp
định vị hiện đại như:
- Định vị quán tính
- Định vị vô tuyến mặt đất
- Định vị vô tuyến không gian người ta đã tính toán và đo được các thông
số của quá trình chuyển động (vị trí, vận tốc, thời gian,…) chính xác hơn.
1.2. Nguyên lý của hệ thống thông tin vệ tinh
Sau khi được phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thông tin ngoài trái
đất. Nó có nhiệm vụ thu tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến từ một trạm ở trái đất,
khuếch đại rồi phát trở về trái đất cho một trạm khác.
Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất là:
- Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất.
- Qủa đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh.

Quỹ đạo elip
nghiêng

Quỹ đạo
xích đạo

Quỹ đạo
cực tròn

Hình 1.1. Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh

9


1.2.1. Quỹ đạo cực tròn
Ưu điểm của dạng quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất đều nhìn thấy vệ
tinh trong một khoảng thời gian nhất định. Việc phủ sóng toàn cầu của dạng quỹ
đạo này đạt được vì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lượt quét tất cả các vị trí trên
mặt đất. Dạng quỹ đạo này được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng
hải, thăm dò tài nguyên và các vệ tinh do thám. Nó ít được sử dụng cho thông tin
truyền hình vì thời gian xuất hiện ngắn.
1.2.2. Quỹ đạo elip nghiêng
Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến các vùng cực cao mà
các vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới. Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhược điểm
là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám đuổi vệ tinh phải ở mức cao.
1.2.3. Quỹ đạo xích đạo tròn
Đối với dạng quỹ đạo này, vệ tinh bay trên mặt phẳng đường xích đạo và
là dạng quỹ đạo được dùng cho vệ tinh địa tĩnh, nếu vệ tinh bay ở một độ cao
đúng thì dạng quỹ đạo này sẽ lý tưởng đối với các vệ tinh thông tin.

Hình 1.2. Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh

10


1.2.3.1. Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geosychronous Earth Orbit)
Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng
36.000km so với đường xích đạo, vệ tinh loại này bay xung quanh quả đất một
vòng mất 24h. Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh
trục của nó theo hướng đông cùng với hướng quay của trái đất, bởi vậy vệ tinh
dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất, do đó nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh.
Bởi vì một vệ tinh địa tĩnh có thể đảm bảo thông tin ổn định liên tục nên
có nhiều ưu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin.
Nếu ba vệ tinh địa tĩnh được đặt ở cách đều nhau bên trên xích đạo thì có thể
thiết lập thông tin liên kết giữa các vùng trên trái đất bằng cách chuyển tiếp qua một
hoặc hai vệ tinh. Điều này cho phép xây dựng một mạng thông tin trên toàn thế giới.
1.2.3.2. Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit)
Độ cao điển hình của dạng quỹ đạo này là 160 đến 480 km, nó có chu kỳ
90 phút. Thời gian quan sát thấy vệ tinh khoảng dưới 30 phút. Việc bố trí các vệ
tinh LEO gần nhau có thuận lợi là thời gian để dữ liệu phát đi đến vệ tinh và đi
về là rất ngắn. Do khả năng thực hiện nhanh của nó, tác dụng tiếp sức tương hỗ
toàn cầu giữa các mạng và loại hình hội thoại vô tuyến truyền hình sẽ có hiệu quả
và hấp dẫn hơn. Nhưng hệ thống LEO đòi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại này
mới bao trùm hết bề mặt địa cầu
1.2.3.3. Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit)
Vệ tinh MEO ở độ cao từ 10.000km đến 20.000 km, chu kỳ của quỹ đạo là 5
đến 12 giờ, thời gian quan sát vệ tinh từ 2 đến 4 giờ. Ứng dụng cho thông tin di động
hay thông tin radio. Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh để phủ sóng toàn cầu.
1.3. Đặc điểm của thông tin vệ tinh
Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh được phát triển và phổ biến

nhanh chóng vì nhiều lý do khác nhau. Các ưu điểm chính của thông tin vệ tinh
so với các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống cáp
quang và hệ thống chuyển tiếp viba số là:
- Có khả năng đa truy nhập.
- Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần 3 vệ tinh địa tĩnh là có thể phủ sóng toàn cầu.

11


- Ổn định cao, chất lượng và khả năng cao về thông tin băng rộng.
- Có thể ứng dụng cho thông tin di động.
- Thích hợp với dịch vụ truyền hình
- Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn, đặc biệt trong thông tin
xuyên lục địa.
Sóng vô tuyến điện phát đi từ một vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh có thể bao phủ hơn
1/3 toàn bộ bề mặt trái đất, nên những trạm mặt đất đặt trong vùng đó có thể thông tin
trực tiếp với bất kỳ một trạm mặt đất khác trong vùng qua một vệ tinh thông tin .
Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc tăng
hiệu quả sử dụng của nó tới cực đại được gọi là đa truy nhập. Nói cách khác đa
truy nhập là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên một vệ tinh chung cho
nhiều trạm mặt đất.
1.4. Hệ thống của thông tin vệ tinh cơ bản
Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần cơ bản:
- Phần trên không là vệ tinh và các thiết bị liên quan.
- Phần mặt đất bao gồm các trạm mặt đất .

Đường xuống
4GHz(11GHz)

Đường lên

6GHz(14GHz)

Điều
chế

Nâng
tần

Khuếch đại
tạp âm tháp

Khuếch đại
công suất

Hạ
tần

Giải điều
chế

Hình 1.3. Liên lạc giữa hai trạm mặt đất qua vệ
Trong đó vệ tinh
tinh đóng vai trò lặp lại tín hiệu truyền giữa các trạm mặt đất,
thực chất kỹ thuật thông tin vệ tinh là kỹ thuật truyền dẫn mà trong đó môi
trường truyền dẫn là không gian vũ trụ với khoảng cách đường truyền khá dài.

12


Tại đây ta cũng gặp lại một số vấn đề đối với một bài toán truyền dẫn, đó là các

vấn đề điều chế tạp âm và nhiễu đường truyền, đồng bộ giữa hai đầu thu phát.
Hình vẽ là một ví dụ đơn giản về liên lạc giữa hai trạm mặt đất thông qua
vệ tinh thông tin .
Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên (Up
link) và đường từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống (Down link).
Hầu hết, các tần số trong khoảng 6GHz hoặc 14GHz được dùng cho đường lên
và tần số khoảng 4GHz hoặc 11GHz cho đường xuống.
Tại đầu phát, thông tin nhận từ mạng nguồn (có thể là kênh thoại, truyền
hình quảng bá, truyền số liệu ...) sẽ được dùng để điều chế một sóng mang
trung tần IF. Sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ chuyển đổi nâng tần (Up
Converter) cho ra tần số cao hơn RF (Radio Frequency). Tín hiệu RF này được
khuếch đại ở bộ khuếch đại công suất cao HPA (High Power Amplifier) rồi
được bức xạ ra không gian lên vệ tinh qua anten phát. Tại vệ tinh, tín hiệu nhận
được qua anten sẽ được khuếch đại và chuyển đổi tần số xuống (Down
Converter), sau đó được khuếch đại công suất rồi được phát trở lại trạm mặt
đất. Ở trạm mặt đất thu, tín hiệu thu được qua anten được khuếch đại bởi bộ
khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier). Sau đó được chuyển đổi
tần số xuống trung tần qua bộ chuyển đổi hạ tần (Down Converter) và cuối
cùng được giải điều chế khôi phục lại tín hiệu băng gốc.
1.5. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh nằm trong băng tần siêu cao
SHF (Super High Frequency) từ 3 đến 30 GHz, trong phổ tần số sử dụng cho vệ
tinh người ta còn chia các băng tần nhỏ với phạm vi của dãy phổ như bảng 1.1.
Băng

Tần số (GHz)

Bước sóng (cm)

C

3,400  7,075

8,82  4,41

X

7,025  8,425

4,41  3,56

Ku

10,90  18,10

2,75  1,66

Ka

17,70  36,00

1,95  0,83

Bảng 1.1. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh

13


Hiện nay, băng C và băng Ku được sử dụng phổ biến nhất, băng C (4/6
GHz) nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, suy hao ít do mưa, trước đây được dùng

cho các hệ thống viba mặt đất. Sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và các hệ
thống khác bao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội
địa. Băng Ku (12/14 và 11/14 GHz), được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho
viễn thông công cộng, dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa các
công ty. Do tần số cao nên cho phép sử dụng những anten có kích thước nhỏ,
nhưng cũng vì tần số cao nên tín hiệu ở băng Ku bị hấp thụ lớn do mưa.
Băng Ka (20/30 GHz) lần đầu tiên sử dụng cho thông tin thương mại qua
vệ tinh Sakura của Nhật, cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ và hoàn toàn
không gây nhiễu cho các hệ thống viba. Tuy nhiên băng Ka suy hao đáng kể do
mưa nên không phù hợp cho thông tin chất lượng cao
1.6. Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh
Để xác định vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử
dụng vệ tinh làm các điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ
vật thể đến các vệ tinh này (Hình 1.4).
Ở đây ta đã biết trước vị trí rj của vệ tinh thứ j (phát ra tín hiệu) và muốn
xác định vị trí Ri của anten thứ i (thiết bị thu tín hiệu vệ tinh) do đó ta cần phải đo
vector cự ly eijIj giữa 2 vị trí nói trên (eij là vector đơn vị).
Khi đó tùy thuộc vào cách thức đo vector cự ly, chúng ta có thể có những
kỹ thuật định vị vệ tinh khác nhau và xác định được vị trí của anten thứ i theo
công thức sau:
Ri = rj - eijij

(1.1)

Hình 1.4. vị trí các vật thể được xác định qua 4 phép đo

14


Do vị trí của vệ tinh thay đổi theo thời gian nên việc dự đoán một cách

chính xác vị trí của vệ tinh rj(t) tại một thời điểm nào đó là rất khó khăn. Nhiệm
vụ dự đoán quỹ đạo hay lịch thiên văn (ephemeris) của vệ tinh đòi hỏi phải có
kiến thức đặc biệt về động lực học vệ tinh mà người vận hành hệ thống cần phải
quan tâm.
Vệ tinh thứ j
(đo được) eijij
rj (đã biết)
Anten thứ i P

Mặt đất

(cần tìm) Ri
C (Gốc tọa độ)
(Tâm trái đất)
Hình 1.5. định vị điểm bằng vệ tinh
Giả sử ta bỏ qua sai số đồng hồ máy thu trên vật thể i và đo được cự ly từ
vật thể i đến vệ tinh 1 là i1, nghĩa là vật thể i đang nằm trên một mặt cầu (S1) có
tâm là vệ tinh 1 (C1) và bán kính là i1. Tiếp theo ta thực hiện phép đo cự ly từ
vật thể i đến vệ tinh 2 và nhận được kết quả là i2, điều này cho chúng ta biết
rằng vật thể i không chỉ nằm trên mặt cầu (S1) mà còn nằm trên mặt cầu (S2) cách
vệ tinh 2 (C2) một khoảng cách là i2. Nói cách khác, vật thể i sẽ nằm trên đường
tròn (O) do 2 mặt cầu (S1), (S2) cắt nhau tạo ra. Nếu chúng ta tiếp tục đo được cự
ly từ vật thể i đến vệ tinh 3 là i3 thì vị trí chính xác của nó là một trong hai giao
điểm P1, P2 của mặt cầu (S3) với đường tròn (O), như ở hình 1.5.
Như vậy, bằng các phép đo cự ly từ vật thể i đến 3 vệ tinh, ta có thể xác
định được 2 vị trí có thể có của nó trong không gian. Để xác định vị trí nào là vị
trí thật ta có thể thực hiện 1 phép đo bổ sung, tuy nhiên 1 trong 2 vị trí tính được
từ phép đo này sẽ cho một kết quả không phù hợp (hoặc là ở rất xa trái đất, hoặc
là chuyển động với vận tốc vô cùng lớn) và do đó có thể bỏ qua mà không cần

15


phải thực hiện phép đo này.Ba phép đo cự ly ở trên cho ta 3 phương trình độc lập
với nhau cần thiết để xác định 3 ẩn số. 3 ẩn số này là tọa độ (x, y, z) của vật thể i
trong không gian 3 chiều. Khi kể đến sai số đồng hồ máy thu, tất cả các phép đo
cự ly đồng thời đều bị lệch bởi giá trị sai số này. Do đó, trong bất kỳ một tập hợp
các phép đo cự ly đồng thời nào, chúng ta cũng cần phải xác định đầy đủ 4 ẩn số
(3 ẩn số vị trí, 1 ẩn số thời gian), nghĩa là cần 4 phương trình hay 4 phép đo cự ly
đến vệ tinh để xác định vị trí duy nhất của vật thể

Hình 1.6. Miêu tả 3 phép đo bằng 3 vệ tinh

Hì
nh
1.7
.
Miêu tả xác định ví trí
1.6.1. Nguyên lý đo cự ly trong phép định vị vệ tinh
1.6.1.1. Mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Code - PRC)

16


Là thành phần cơ bản của GPS, gồm các mã số (digital code) rất phức tạp,
hay nói cách khác nó là một chuỗi liên tiếp các xung nhị phân “0” và “1” (hình
1.7). Tín hiệu này phức tạp gần như là các nhiễu điện từ ngẫu nhiên nên được gọi
là mã giả ngẫu nhiên. Nó có nhiệm vụ bảo đảm cho máy thu không đồng bộ ngẫu
nhiên với tín hiệu khác. Ngoài ra, do mỗi vệ tinh có một mã PRC duy nhất riêng
biệt nên điều này cũng bảo đảm rằng máy thu sẽ không tình cờ bắt được tín hiệu

của vệ tinh khác, vì vậy các vệ tinh có thể sử dụng cùng tần số mà không làm
nhiễu lẫn nhau. Không những vậy, việc sử dụng mã PRC này còn giúp cho quá
trình xử lý và khuếch đại tín hiệu dựa trên lý thuyết thông tin được thực hiện dễ
dàng hơn, giúp tối ưu hóa anten thu và tiết kiệm chi phí.

Hình 1.8: Mã giả ngẫu nhiên PRC
1.6.1.2. Giả cự ly
Là cự ly đo được giữa vệ tinh và máy thu khi kể đến các sai số đồng hồ
(đồng hồ máy thu và vệ tinh) cũng như các nguồn sai số khác (sai số do lịch thiên
văn, do tầng điện ly, do tầng đối lưu, …). Các cự ly đo được trên hình 1.5 ở trên
chính là các số đo giả cự ly cần thiết để xác định vị trí của vật thể i được tính
theo công thức sau:
prij = ij + c.T
Trong đó :
prij - giả cự ly giữa vật thể i và vệ tinh thứ j ;
ij - cự ly thật giữa vật thể i và vệ tinh thứ j ;
c - vận tốc ánh sáng (3x108 m/s);
T - các nguồn sai số.

1.6.1.3. Đo cự ly bằng sóng xung và sóng liên tục

17

(1.2)


Các hệ thống đo cự ly thường dùng các tín hiệu xung hoặc các tín hiệu
sóng liên tục. Mỗi phương pháp đều có những ưu khuyết điểm riêng và đều có
thể sử dụng trong phép đo một chiều hoặc hai chiều. Hệ thống định vị vô tuyến
toàn cầu là hệ thống đo cự ly một chiều có khả năng sử dụng cả hai loại: sóng

xung và sóng liên tục.
1.6.1.4. Nguyên lý đo cự ly cơ bản
Bằng cách xác định khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy
thu ta có thể tính toán được cự ly giữa chúng nhờ vào công thức:
Cự ly = vận tốc x thời gian hay  = c.t

(1.3)

Vấn đề ở đây là làm sao tính toán được thời gian truyền tín hiệu giữa chúng. Để
thực hiện điều này chúng ta giả sử rằng cả vệ tinh và máy thu đều phát ra các mã
PRC giống nhau vào cùng một thời điểm. Lúc này tại máy thu ta nhận được hai
phiên bản mã không đồng thời, một phiên bản mã của máy thu và một phiên bản
mã từ vệ tinh sẽ đến trễ hơn một khoảng thời gian do phải trải qua một quãng
đường khá xa từ vệ tinh đến máy thu. Như vậy dựa vào khoảng thời gian trễ trên
ta có thể xác định được cự ly một cách dễ dàng.
Giả cự ly là tích của tốc độ ánh sáng và trị biến đổi thời gian cần thiết để
so hàng một phiên bản mã được phát từ máy thu với một phiên bản mã khác nhận
được từ vệ tinh. Trên lý thuyết, trị biến đổi thời gian là trị chênh lệch giữa thời
gian nhận tín hiệu (được đo bằng hệ thời gian của máy thu) và thời gian phát tín
hiệu (được đo bằng hệ thời gian của vệ tinh). Trên thực tế, hai hệ thời gian này
không giống nhau, mỗi hệ tác động một sai lệch vào trị số đó. Vì vậy các số đo
thời trễ sai lệch này được xem là những số đo giả cự ly.

18


Mã nhận được
từ vệ tinh

Mã do máy

thu tạo ra
Thời trễ
(Giả cự ly)

t
Thời trễ được xác định bằng cách sử dụng nguyên lý tương quan
tín hiệu ngẫu nhiên trong máy thu tương quan (correlator).
Hình 1.9. Phương pháp đo giả cự ly
1.6.2. Các nguồn gây sai số trong phép đo

Như chúng ta đã biết để xác định vị trí của một vật thể, ta cần phải tính
toán được khoảng cách từ nó đến 4 vệ tinh dựa vào phép đo khoảng thời gian
truyền tín hiệu sóng điện từ từ các vệ tinh đến vật thể này. Do đó độ chính xác
của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu là các thông số rất quan trọng ảnh hưởng
đến các phép đo cự ly cần thiết. Ngoài ra, các yếu tố khác như tầng điện ly, tầng
đối lưu, quỹ đạo vệ tinh, độ ồn của máy thu, nhiễu đa đường (multipath)... cũng
góp phần gây ra các sai số không nhỏ trong các phép đo cự ly này.

Tín hiệu truyền từ vệ tinh đến
máy thu bị sai số và bị trễ

Quỹ đạo vệ tinh
Đồng hồ vệ tinh

28.000km

Đồng hồ máy thu
Nhiễu đa đường
Nhiễu máy thu
200km

50km

Hình 1.10. Các nguồn tác động khác nhau gây
ra sai số trong phép đo cự ly

19


Hình 1.11. Các sai số do lỗi
1.6.2.1. Đồng hồ vệ tinh
Sóng điện từ truyền đi trong không gian xấp xỉ vận tốc ánh sáng
(3.108m/s) nên chỉ cần sai số 1ns sẽ gây ra sai số khoảng cách 30cm. Vì vậy,
người ta trang bị cho các vệ tinh các đồng hồ nguyên tử (Cesium) rất chính xác.
Các đồng hồ này tuy có độ chính xác cao vẫn tích lũy sai số 1ns sau mỗi 3 giờ,
do đó để giải quyết vấn đề này, chúng sẽ được liên tục theo dõi bởi các trạm mặt
đất và được so sánh với hệ thống đồng hồ điều khiển trung tâm gồm 10 đồng hồ
nguyên tử khác. Sau khi được tính toán kỹ lưỡng, sai số và độ trôi đồng hồ vệ
tinh được kèm vào các thông điệp mà vệ tinh phát đi. Khi tính toán khoảng cách
đến các vệ tinh, máy thu GPS sẽ lấy thời gian truyền tín hiệu nhận được trừ đi
các sai số này để xác định thời gian truyền tín hiệu thực sự.
Mặc dù các trung tâm điều khiển mặt đất cố gắng hết sức để liên tục theo
dõi hoạt động của các đồng hồ vệ tinh, chúng vẫn không thể xác định các sai số
một cách chính xác được. Do đó các vệ tinh vẫn gây ra sai số đồng hồ tiêu biểu
khoảng vài nano giây và sai số khoảng cách khoảng 1 met.
1.6.2.2. Đồng hồ máy thu
Tương tự như đồng hồ vệ tinh, bất kỳ sai số nào trong đồng hồ máy thu
cũng gây ra sai số trong các phép đo khoảng cách. Tuy nhiên không thực tế khi
trang bị cho các máy thu này các đồng hồ nguyên tử vì chúng khá nặng (khoảng
20kg), có giá cả rất mắc (50.000USD) và rất bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

20


Giả sử rằng, tại một thời điểm nào đó, đồng hồ máy thu có sai số 1ms và
do đó gây ra sai số khoảng cách 300.000m. Nếu các khoảng cách đến tất cả các
vệ tinh được đo chính xác vào cùng một thời điểm thì tất cả khoảng cách này đều
bị lệch 300.000m. Vì vậy, ta có thể xem sai số đồng hồ máy thu là một trong các
ẩn số cần tìm và đó cũng là lý do mà tại sao khi xác định vị trí ta cần thực hiện
các phép đo cự ly đến 4 vệ tinh, nghĩa là cần 4 phương trình để giải ra 4 ẩn số (3
ẩn số vị trí x, y, z và 1 ẩn số thời gian là sai số đồng hồ máy thu), và từ đó giúp ta
có thể sử dụng đồng hồ rẻ tiền và gọn nhẹ hơn trong máy thu.
Chú ý rằng việc xem sai số đồng hồ máy thu là một ẩn số chỉ hợp lệ nếu
chúng ta thực hiện các phép đo cự ly đến các vệ tinh chính xác vào cùng một thời
điểm. Nếu các phép đo này không xảy ra đồng thời thì đối với mỗi phép đo ta sẽ
có một sai số đồng hồ khác nhau. Thực hiện các phép đo đồng thời đến 4 vệ tinh,
ta không những tính toán được vị trí 3 chiều của mình mà còn xác định được sai
số của đồng hồ máy thu với độ chính xác rất cao. Một đồng hồ tiêu biểu có độ
trôi khoảng 1000ns mỗi giây nhưng bằng phương pháp trên ta có thể điều chỉnh
thời gian máy thu đạt độ chính xác bằng với đồng hồ GPS và biến đồng hồ máy
thu rẻ tiền này trở thành một đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao. Máy thu
hiệu chỉnh đồng hồ của nó mỗi giây và cung cấp một tín hiệu thời chuẩn cho các
ứng dụng bên ngoài. Nếu chúng ta đặt máy thu tại một vị trí chính xác đã biết thì
ta chỉ cần theo dõi 1 vệ tinh để tính toán sai số đồng hồ máy thu và điều chỉnh
nó.4 vệ tinh là số lượng tối thiểu mà chúng ta cần để tính toán vị trí và thời gian.
Càng sử dụng nhiều vệ tinh thì kết quả đo nhận được càng chính xác hơn.
1.7. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Như đã thảo luận ở các phần trên, độ chính xác của vị trí cần tính toán
cũng phụ thuộc vào cách xác định vị trí chính xác của các vệ tinh (được xem là
các điểm tham chiếu). Quỹ đạo của các vệ tinh liên tục được theo dõi từ nhiều

trạm giám sát nằm xung quanh trái đất và thông tin quỹ đạo dự đoán được truyền
đến các vệ tinh, từ đó vệ tinh cung cấp các thông tin này cho máy thu. Độ chính
xác tiêu biểu của việc tiên đoán quỹ đạo này vào khoảng vài mét và do đó cũng
sẽ gây ra sai số khoảng vài mét khi tính toán vị trí. Máy thu duy trì một bảng niên

21


giám dữ liệu quỹ đạo cho tất cả các vệ tinh và chúng cập nhật các bảng này mỗi
giờ khi có dữ liệu mới.
1.7.1. Sai số do tầng điện ly

hình 1.12. sai số do tầng điện ly
Ionospheric Delay:

I - là số của electron trên một đơn vị
Khi tính toán khoảng cách đến vệ tinh, đầu tiên ta đo khoảng thời gian
truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu và sau đó nhân khoảng thời gian này với
vận tốc ánh sáng. Vấn đề ở đây là vận tốc này thay đổi phụ thuộc vào tình trạng
của tầng khí quyển. Lớp trên của tầng khí quyển gọi là tầng điện ly gồm các hạt
mang điện, gây tác động làm chậm tín hiệu mã và làm nhanh tín hiệu sóng mang.
Ảnh hưởng của tầng điện ly nếu không được khắc phục có thể gây ra sai số
phép đo lớn hơn 10m. Vài máy thu sử dụng mô hình toán học để tính toán ảnh hưởng
của tầng điện ly và xác định gần đúng mật độ các hạt mang điện nên có thể giảm
được ảnh hưởng của tầng này khoảng 50% tuy nhiên sai số còn lại vẫn đáng kể.
Tác động của tầng điện ly đối với tín hiệu điện tử phụ thuộc vào tần số của
nó. Tần số càng cao thì ảnh hưởng càng ít. Do đó ta có thể sử dụng 2 tần số sóng

22

mang khác nhau để đo độ trễ sai lệch giữa 2 tín hiệu này và từ đó loại bỏ được
ảnh hưởng của tầng điện ly. Đó chính là lý do tại sao mà tất cả các vệ tinh GPS
truyền thông tin bằng 2 tần số L1, L2. Máy thu chính xác (máy thu 2 tần số) chủ
yếu phục vụ cho quân sự theo dõi cả 2 tín hiệu L1, L2 và thực hiện các kỹ thuật
phức tạp để trích ra các tín hiệu mã và sóng mang nhằm loại bỏ ảnh hưởng của
tầng điện ly. Máy thu không chính xác (máy thu đơn tần) phục vụ chủ yếu trong
dân sự chỉ theo dõi 1 tín hiệu L1. Đây là 1 trong những đặc điểm phân biệt chính
giữa 2 loại máy thu này.
1.7.2. Sai số do tầng đối lưu
Lớp thấp hơn của tầng khí quyển chứa đựng hơi nước được gọi là tầng đối
lưu, gây tác động làm chậm cả tín hiệu mã lẫn tín hiệu sóng mang. Ta không thể
loại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu bằng cách sử dụng hệ thống 2 tần số.
Phương pháp duy nhất để loại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu là tiến hành
phép đo lượng hơi nước, nhiệt độ, áp suất của nó và áp dụng một mô hình toán
học để có thể tính toán độ trễ gây ra bởi tầng này.
1.7.3. Nhiễu đa đường

Hình 1.13. Nhiễu đa đường
Khi đo khoảng cách đến mỗi vệ tinh, ta giả sử rằng tín hiệu vệ tinh được
truyền thẳng từ vệ tinh đến anten của máy thu. Nhưng trong thực tế ngoài tín hiệu
trực tiếp này anten máy thu còn nhận được các tín hiệu phản xạ đến từ mặt đất và
các vật thể gần anten qua nhiều đường gián tiếp khác nhau, xen nhiễu vào tín
hiệu trực tiếp, gây ra sai lệch về thời điểm đến của tín hiệu thực sự.

23