Báo cáo đề tài "Hệ thống định vị GPS"

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (22.96 MB, 44 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

LOI MO DAU

Ngay nay, thé gidi 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 cần mở rOng. Trong những năm gần đây thông tin vệ tỉnh 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

nhu may bay, tàu vũ trụ đòi hỏi 1 kỹ thuật mà các hệ thống cũ không thé đáp

ứng được đó là định vị trong không gian 3 chiều, và như vậy hệ thống định vị

toàn cầu- GPS(Global Positioning System) ra đời.

Việc Ứng dụng công nghệ GPS trong các bài toán quản lý phương tiện

giao thông đang trở nên phổ biến trên thế giới. Với sự hỗ trợ của công nghệ

thông tin, GPS ngày càng được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả, mang lại giá trị gia tăng cao dựa trên nền tảng của các dịch vụ viễn thông.

Ở Việt Nam, các Ứng dụng của GPS đã bắt đầu được thử nghiệm trong các lĩnh vực lâm nghiệp, thuỷ lợi, giao thông... tuy nhiên các Ứng dụng GPS mang tính tích hợp hệ thống, phục vụ các nhu cầu đặc thù xã hội vẫn chưa được phổ biến. Đặc biệt, việc áp dụng công nghệ GPS trong việc quản lý vị trí và hành trình các tàu đánh bắt cá xa bờ đang trở thành nhu cầu cấp thiết, phục vụ yêu cầu quản lý của các cơ quan nhà nước, hồ trợ công tác tìm kiếm cứu nạn và cảnh báo thiên tai trên biển. Với mục đích khảo sát, nghiên cứu hệ thống định vị này, nhóm chúng em chọn để tài “Hệ thông định vị GPS” cho bài tập lớn của

mình.

Nội dung đề tài gồm 3 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh.

Chương 2: Hệ thống định vị toàn cầu GPS.

Chương 3: Một số ứng dụng phổ biến của GPS.

Trong quá trình tìm hiểu do khối lượng kiến thức đề tài lớn nên dễ xảy ra

sai sót khi đưa vào để tài. Vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của thầy cơ và

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Khoa Điện tử - Viễn thông L6p:DHDT-K1

CHUONG 1: TONG QUAN VE HE THONG THONG TIN VE TINH

1.1 Giới thiệu về sự ra đời và lịch sử phát triển của hệ thống GPS.

1.1.1 Sura doi

Sự ra đời của nhỮng phương tiện vận chuyển như máy bay, và nhỮng con

tàu vũ trụ đòi hỏi điều khiển những thiết bị đó trong khơng gian ba chiều. NhỮng

phương pháp dẫn đường và nhữỮng hệ thống dẫn đường vô tuyến điện như khái

quát Ở trên chỉ dùng cho việc dẫn dắt các tàu thủy đã trở thành lỗi thời và không phù hợp với việc điều khiển các thiết bị chuyển động trong không gian ba chiều

vì những hệ thống đương thời chỉ xác định được vị trí theo 2 chiều không gian.

Trước những đòi hỏi về kỹ thuật đó nhiều nhà khoa học đã được chính phủ Mỹ

tài trợ để thực hiện nghiên cứu hệ thống dẫn đường dựa trên vũ trụ.

1.1.2 Lịch sử phát triển

Thập niên 1920: Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến.

Đầu Đại chiến thế giới 2: LORAN, hệ thống dẫn đường á áp dụng phương pháp đo độ lệch thời gian của tín hiệu sóng vơ tuyến, do Phịng thí nghiệm Bức xạ Đại học MIT (MTT Radiation Laboratory). LORAN cũng

là hệ thống định vị trong mọi điều kiện thời tiết thực sự đầu tiên nhưng hai chiều(kinh độ và vĩ độ).

Năm 1957: VỆ tỉnh Sputnik của Nga được phóng lên vũ tru. Dai hoc MIT

cho rằng tín hiệu vơ tuyến điện của vệ tinh có thể tăng lên khi chúng tiếp cận trái đất và giảm đi khi rời khỏ trái đất và do vậy có thể truy theo vị trí

từ mặt đất.

Năm 1959: TRANSIT, hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh hoạt động

đầu tiên, do Phịng thí nghiệm vật lý ứng dụng Johns Hopkins phát triển

dưới sự chỉ đạo của TS Richard Kirschner. Mặc dù khởi đầu Transit được

chế tạo để hỗ trợ cho đội tàu ngầm của Mỹ nhưng nhỮng công nghệ này

đã được phát triển có ích trở thành Hệ thống định vị toàn cầu. VỆ tinh

Transit dau tién được phóng lên vũ trụ vào năm 1959,

Năm 1960: Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian ba chiều (kinh độ, vị độ và dO cao longitude, latitude and altitude) dau tién do Raytheon Corporation để xuất theo yêu cầu của Air Force để làm hệ thống dẫn

đường sẽ được sử dụng với (with a proposed ICBM) có thể đạt tới độ lưu

động bằng chạy trên một hệ thống đường ray. Hệ thống dẫn đường được

trình bày là MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control). Y

tưởng này bị hỏng khi chương trình Mobile Minuteman bị hủy bỏ vào năm

1961.

Năm 1963: Tổng công ty Aerospace Corporation thực hiện nghiên cứu về

hệ thống không gian làm cơ sở cho hệ thống dẫn đường cho phương tiện

chuyển động nhanh theo ba chiều không gian. Việc nghiên cứu này trực

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

tiếp dẫn tới khái niệm về hệ thống định vị toàn cầu. Khái niệm liên quan

đến việc đo thời gian tới của tín hiệu sóng vơ tuyến được phát đi từ vệ

tỉnh có vị trí chính xác đã biết. Đo thời gian sẽ cho khoảng cách tới vị trí vệ tinh đã biết và lần lượt có thể xác định được vị trí của người sử dụng.

- Năm 1964 Timation, hệ thống vệ tinh hải quân, được phát triển dưới

sự chỉ đạo của Roger Easton Ở Phòng nghiên cứu Hải quan (Naval

Research Lab, NRL) để cải thiện đồng hồ có tính ổn định cao, khả năng truyền thời gian, và dẫn đường 2 chiều. Hoạt động của Timation theo tiêu chuẩn thời gian chuẩn vũ trụ đã cung cấp cơ sở quan trọng cho hệ thống định vị toàn cầu. Vệ tinh Timation đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào tháng 5 năm 1967.

- Năm1968: BỘ Quốc phòng Mỹ (DoD, Department of Defence, USA) thành lập một ủy ban gọi là Ủy ban Thự hiện Vệ tinh Dẫn đường (NAVSEC, Navigation Satellite Executive Committee) để phối hợp nỗ

lực của các nhóm dẫn đường vệ tinh (Transit của Hải quân, Chương

trình Timation, và SECOR của Quân đội, hay còn gọi là Hệ thống đồng tương quan khoảng cách chuỗi (Sequential Correlation of Range System). NAVSEC ký hợp đồng một số nghiên cứu để làm sáng tỎ khái niệm dẫn đường vệ tinh cơ bản. Những nghiên cứu này về một số vấn đề chính xung quanh khái niệm như lựa chọn tần số sóng mang (dải

L đối lập với dải C), thiết kế cấu trúc tín hiệu, và lựa chọn định hình quỹ đạo vỆ tinh.

- Năm 1969-1972 NAVSEC quản lý các thảo luận khái niệm giỮa các nhóm dẫn đường vệ tỉnh khác nhau. APL Hải quân ủng hộ nhóm Transit mở rộng, trong khi NRL Hải quân Ủng hộ cho Timation mở rộng, còn Air Force thì ủng hộ cho “chòm sao đồng bộ mở rộng”, tức dự án “Hệ

thống 621B'.

- Tháng 4 năm 1973 Thứ trưởng Bộ Quốc phòng quyết định thiết lập một

chương trình hợp tác ba dịch vụ để thống nhất nhỮng khái niệm khác

nhau về định vị và dẫn đường thành một hệ thống Bộ quốc phòng hỗn

hợp gọi là Hệ thống vệ tinh dẫn đường quốc phòng (Defense Navigation

Satellite System). Air Force được chỉ định làm người quản lý (điều hành)

chương trình. Hệ thống mới được phát triển qua văn phòng chương trình

kết hợp (joint program office), với sự tham gia của tất cả quan chủng

quốc phòng. Đại tá Brad Parkinson được chỉ định làm người chỉ đạo văn phòng chương trình kết hợp và được đặt trọng trách phát triển kết hợp

khái niệm ban đầu về hệ thống dẫn đường dựa trên không gian (space-

based navigation system)

- Tháng 8 năm 1973 Hệ thống đầu tiên được trình bày tới Hội đồng Thu nhận và Thẩm định Hệ thống Quốc phòng (Defense System Acdquisition and Review Council, DSARC) bị từ chối thông qua. Hệ thống được

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

Khoa Điện tử - Viễn thơng L6p:DHDT-K1

trình lên DSARC được gói gọn trong Hệ thống 621B cUa Air Fore va không đại diện cho chương trình kết hợp. Mặc dù có người ủng hộ ý

tưởng của hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tỉnh mới nhưng Văn phịng

Chương trình Kết hợp đã được thúc đẩy khẩn trương tổng quát hóa khái niệm bao gồm xem xét và yêu cầu tất cả các binh chủng quốc phòng.

- Ngày 17/12/1973 Một khái nệm mới được trình tới DSARC và được

thông qua để thực hiện và cấp kinh phí là hệ thống NAVSTAR GPS, đánh dấu khởi đầu công nhận khái niệm (ý tưởng) (Giai đoạn I của chương

trình GPS). Khái niệm mới thực sự là một hệ thống dàn xếp (thỏa

hiệp — compromise system) do Đại tá Parkinson thương lượng đã kết hợp

tốt nhất giữa tất cả nhỮng khái niệm và công nghệ dẫn đường vé tinh có sẵn. Cấu hình hệ thống được thông qua bao gồm 24 vệ tinh chuyển động trong nhỮng quỹ đạo nghiêng chu kỳ 12 giờ đồng hồ.

- Tháng 6 năm 1974 Hãng Rockwell International được chọn làm nhà cung

cấp vệ tỉnh cho chương trình GPS.

- Ngày 14 tháng 7 năm 1974 VỆ tỉnh NAVSTAR đầu tiên được phóng lên vũ trụ. Vệ tinh này được chỉ định là Vệ tinh Công nghệ Dẫn đường (NTS) số 1, về cơ bản đây là vệ tịnh Timation tân trang lại do NRL đóng. VỆ tỉnh thứ hai (là vệ tinh cuối cùng) của nhóm NTS được phóng vào

năm 1977. NhữỮng vệ tỉnh này được sử dụng cho việc đề xuất đánh giá

khái niệm (ý tưởng) và thực hiện những đồng hồ nguyên tử đầu tiên đã được phóng vào trong khơng gian (vu tru).

- - Năm 1977: Thực hiện kiểm tra thiết bị người sử dụng 6 Yuma, Arizona.

- Ngày 22/2/1978: Vệ tỉnh Block I đầu tiên được phóng. Tồn bộ 11 vệ tinh

Block I được phóng trong khoảng thời gian 1978 và 1985 trên Atlas- Centaur. Nhting vé tinh Block I do Rockwell International xây dựng được

coi là những vệ tinh mẫu phát triển được dùng để kiểm tra hệ thống.

Bị mất một vệ tinh do phóng trượt.

- 26/4/1980: Phóng vệ tỉnh GPS đầu tiên thực hiện nhỮng bộ cảm ứng Hệ

thống phát hiện tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp

(Integrated Operational Nucluear Detonation Detection System (IONDS) sensors).

- Năm 1982: Bộ Quốc phịng thơng qua quyết định giảm số vệ tỉnh của chòm vệ tỉnh GPS từ 24 xuống 18 tiếp theo sau tái cấu tạo lại chương trình chính do Quyết định 1979 của Văn phòng Thư ký Bộ Quốc

phòng gây ra để cắt giảm kinh phí 500 triệu đơ la (khoảng 30%) từ ngân

sách cho giai đoạn năm tài chính FY81-EYS8G.

- Ngay 14/7/1983 Phong vé tinh GPS dau tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng nổ hat nhân (NDS) mới hơn.

- Ngày 16/9/1983 Theo (the Soviet downing of Korean Air flight 007), tổng thống Reagan hứa cho GPS được sử dụng cho các máy bay dân dụng hoàn

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

toàn miễn phí khi hệ thống đưa vào sử dụng. Sự kiện này đánh dấu sự

bắt đầu lan tỏa công nghệ GPS từ quân sự sang dân sự.

- Năm 1984: Khảo sát trở thành một thị trường GPS thương mại đầu bảng

được nâng cánh! Để bù cho số vệ tinh giới hạn có sẵn trong quá trình phát triển chịm vệ tinh, các nhà khảo sát đã chuyển qua số kỹ thuật nâng cao đỘ chính xác bao gồm kĩ thuật GPS Vi phân (DGPS) và kỹ thuật truy theo pha sóng mang (carrier phase tracking).

- _ Tháng 4 1985 HỢp đồng thiết bị người sử dụng chính đầu tiên được giao cho JPO. Hợp đồng bao gồm việc nghiên cứu, phát triển cũng như lựa chọn sản xuất các máy thu GPS dùng cho máy bay, tàu thủy và máy thu

- Ngày 14/2/1989: Vệ tinh đầu tiên của các vệ tỉnh Block II đã được phóng

từ Cape Canaveral AFT, Florida, trén dan phéng Delta II (Delta II booster).

Phi thuyền con thoi (Space Shuttle) lam bệ phóng theo kế hoạch cho các

vệ tỉnh Block II được Rockwell Intenational đóng. Tiếp theo tai nạn Challenger 1986, Văn phịng Chương trình Kết hợp (JPO) xem xét lại và

da su’ dung Delta II làm bệ phóng vệ tỉnh GPS. SA (Selective Availabity)

va AS (Anti-spoofing).

- Ngay 21/6/1989: Hang Martine Marietta (sau khi mua xong General Electric Astro Space Division vao nam 1992) được thắng hợp đồng xây dựng. 20 vệ tinh bổ sung (Block HR). Chiéc vé tinh Block IIR dau tién sang sàng để phóng vào cuối năm 1996.

- Năm 1990: Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS hang

đầu thế giới được thành lập năm 1978 hoàn thành loạt sản phẩm ban đầu. - Ngày 25/3/1990: Do theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến Liên bang,

lần đầu tiên khởi động (kích hoạt) SA (Selective Availability) làm giảm độ chính xác dẫn đường GPS có chủ định.

- Thang 8/1990: SA được tắt đi trong chiến tranh vịnh Ba tu (Persian Gulf War). NhỮng yếu tố đóng góp vào quyết định tắt SA bao gồm việc phủ sóng ba chiều có giới hạn được chòm NAVSTAR cung cấp trong quỹ đạo

vào thời gian đó va sớ máy thu mã số chính xác (Precision (P)-code) trong bản kiểm kê của DoD. DoD đã mua hàng nghìn máy thu GPS dân dụng ngay sau đó khơng lâu đã dùng cho lực lượng liên minh trong cuộc chiến

tranh.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Khoa Điện tử - Viễn thông L6p:DHDT-K1

Hệ GPS là hệ thống bao gồm các vệ tỉnh bay trên quỹ đạo, thu thập thơng tin tồn cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất. Ngày

nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám

hiểm trên bộ nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh. Hệ

GPS là hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh do Hoa Kỳ kiểm soát và duy trì hoạt động. Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên trái đất ở độ cao 20.200 km (11.900 NM ), với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận. Từ những năm đầu thập kỷ 80, các nhà sản xuất lớn chú ý nhiều hơn đến đối tượng sử dụng tư nhân. Trên các xe hơi hạng sang, nhữỮng thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số PDA (Personal Digital Assistant), được coi là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện

giá trị của chủ sở hữu.

- _ VỆ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978.

- _ Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 10 năm.

- VỆ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 bộ (5m)

với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m?). - _ Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts.

1.2 Hệ thống dẫn đường vô tuyến (Radio Navigation)

1.21 Nguyên lý hoạt động

Áp dụng nguyên lý tính tốn thời gian truyền sóng vô tuyến từ vệ tinh đến

máy thu định vị đặt trên đỐi tượng cần xác định để xác định khoảng cách từ vệ

tinh đến máy thu định vị đó. Ta biết rằng tốc độ sóng vơ tuyến trong khơng gian gần bằng vận tỐc ánh sáng (3.109 m/s), néu may thu có thể xác định chính xác

thời gian khi vệ tinh bắt đầu gửi đoạn tin và thời gian máy thu nhận được

đoạn tin đó từ đó có thể xác định được khoảng cách giỮa máy thu và vệ tinh

theo biểu thức: R=c.AT

với R: khoảng cách thừ vệ tinh đến máy thu. (m) c : Vận t6c ánh sáng. (c= 3.105 m/s)

T : Thoi gian truyền sóng từ máy phát dén may thu. (s)

Như vậy để thực hiện thì phải đồng bộ chính xác giỮa vệ tinh va may thu GPS thì máy phat 6 vé tinh và máy thu GPS có các mã định thời giả ngẫu nhiên đồng

nhất.

Mỗi vệ tinh sẽ liên tục phát mã đồng bộ của chúng một cách chính xác, máy

thu GPS sau khi thu được mã đồng bộ phát tỪ vỆ tỉnh nó sẽ thực hiện so sánh

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

với mã tạo ra dé xác định thời gian truyền sóng. Hiệu số thời gian đó nhân với tốc đỘ truyền sóng sẽ cho ra kết quả khoảng cách từ máy thu đến vệ

tỉnh. Hình 1.3 mơ tả q trình so sánh mã của vệ tinh và mã của máy thu GPS dé

xác định thỜi gian truyền sóng.

Hình 1.3 Q trình so sánh mã của vệ tỉnh và mã của máy thu GPS

1.2.2 Đặc điểm của hệ thống

- Thiết bị đơn giản rẻ tiền, dễ thao tác.

- Tầm hoạt động bị hạn chế, độ chính xác khơng cao, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

+ Thời điểm đo, nhiệt độ, độ ẩm của không khí ảnh hƯởng tới quá trỡnh truyền lan súng điện từ.

+ VỊ trí cần xác định tọa độ, ảnh hưởng của địa hỡnh phức tạp tới sự lan

truyền của tia sóng.

Để tăng tầm hoạt động của hệ thống, người ta thường liên kết từng cụm gồm 3 trạm đèn hiệu vô tuyến thành từng chuỗi hệ thống. Khi đó độ phỦ sóng của hệ

thống rộng hơn một trạm đơn lẻ, thường vào khoảng 1000 dặm.

1.3 Cơ sở của phép đỉnh vị bằng vệ tỉnh.

Để xác định vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử

dụng vỆ tỉnh làm các điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ vật thể đến các vệ tinh này (Hình 1.3a). Ở đây ta đã biết trước vị trí rỉ của vệ tỉnh thứ j (phát ra tín hiệu) và muốn xác định vị trí R; của anten thứ ¡ (thiết bi thu

tín hiệu vệ tinh) do đó ta cần phải đo vector cự ly e/ p giữa 2 vị trí nói trên (e7 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 ¡ theo công thỨc sau:

R=r' -e! p;

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Khoa Điện tử - Viễn thơng L6p:DHDT-K1

Hình 1.3a: VỊ trí các vật thể được xác định qua 4 phép do

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

chính xác vị trí của vệ tinh r/() tại một thời điểm nào đó là rất khó khăn. Nhiệm vụ dự đoán quỹ đạo hay lịch thiên văn (ephemeris) của vệ tỉnh đòi hỏi phải có kiến thức đặc biệt về động lực học vệ tỉnh mà người vận hành hệ thống cần

phải quan tâm. Giả sử ta bổ qua sai số đồng hồ máy thu trên vật thể ¡ và đo

được cự ly từ vật thể ¡ đến vệ tinh 1 là p, nghĩa là vật thể ¡ đang nằm trên một

mặt cầu (S1) có tâm là vệ tỉnh 1 (C1) và bán kính là p¡!. Tiếp theo ta thực hiện

phép đo cự ly từ vật thể ¡ đến vệ tinh 2 và nhận được kết quả là p7, điều này

cho chúng ta biết rằng vật thể ¡ không chỉ nằm trên mặt cầu (S1) mà còn

nằm trên mặt cầu (S2) cách vệ tinh 2 (C2) một khoảng cách là p¿. Nói cách khác, vật thể ¡ 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 ¡ đến vệ tinh 3 là pỷthì vị trí chính xác của nó là một trong hai giao điểm P1, P2 của mặt cầu (S3) với đường

trịn (O), như ở hình 1.3.

Như vậy, bằng các phép đo cự ly từ vật thể ¡ đến 3 vệ tỉnh, 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 do 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 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 toa dO (x, y, z) của vật thể ¡ trong không gian ba chiều.

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Hinh 1.3b: Dinh vi diém bang vé tinh

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.

1.4 Nguyên lý đo cự ly trong phép định vĨ vệ tỉnh

1.4.1 Mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Code - PRC)

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”

(hình1.4).

Hình 1.41: Mã giả ngẫu nhiên PRC

Tín hiệu này phức tạp gần như là các nhiễu điện tỪ ngẫu nhiên nên được gọi là mã giả ngầu 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 răng máy thu sẽ khơng tình cỜ bắt

được tín hiệu của vệ tinh khác, vì vậy các vệ tinh có thể sử dụng cùng tần

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Khoa Điện tử - Viễn thông L6p:DHDT-K1

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 chỉ phí. 1.4.2 Do cu ly bằng sóng xung và sóng liên tục

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.

1.4.3 Nguyên lý ẩo cự li cơ bản

Bằng cách xác định khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy

thu ta có thể tính tốn được cự ly giữa chúng nhờ vào công thức:

Cự ly = vận tốc x thời gian ( =c.Ð

Vấn đề ở đây là làm sao tính tốn 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 2 phiên bản mã không đồng thời, 1 phiên bản mã của máy thu

và 1 phiên bản mã từ vệ tinh sẽ đến trễ hơn một khoảng thời gian do phải trải qua một quảng đường khá xa từ vệ tinh đến máy thu. Như vậy dựa vào

Hình !.43 Piirtơng phúp đo giả cự ly

Thời trễ được xác định bằng cách sử dụng nguyên lý tương quan tín hiệu ngâu nhiên trong máy thu tương quan (correlator).

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

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, ...). Nói cách khác, 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. 1.5 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 tốn 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 sO rat 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.

Qu? dao vé tinh Tin higu truyền từ vệ tình đến

| ¢ may thu by sai so va by tre

2§ f0000Á‹+r \ ⁄ : X ~ — — ộ ` Đông hệ máy thu T la sa of

/ \ Tang đổi lưu" X_ „~V Nhiễu đa đường

Sóng điện tỪ truyền di trong không gian xấp xỈ vận tỐc ánh sáng

(3.10°m/s) nén 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

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Khoa Điện tử - Viễn thông L6p:DHDT-K1

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 tốn kỹ lưỡng, sai số và đỘ trôi đồng hồ vệ tinh được kèm vào các thông điệp mà vệ tinh phát đi. Khi tính tốn 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 ns và sai số khoảng cách khoảng 1m.

1.5.2 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 G0. 000U5D) và rất bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

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 300.000 m. 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 300.000 m. 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 1 ẩn số chỉ hợp lệ nếu 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 sẽ có một sai số đồng hồ khác nhau. Thực hiện các phép đo đồng thời đến 4 vệ tinh, ta không những tính tốn được vị trí 3 chiều 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 mội 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 tốn sai số đồng hồ máy thu và điều chỉnh nó. Bốn vệ tinh là số lượng tối thiểu mà chúng ta cần để tính tốn vị trí và thời gian. Càng sử dụng nhiều vệ tinh thì kết quả đo nhận được càng chính

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Như đã thảo luận ở các phần trên, độ chính xác của vị trí cần tính

tốn 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 tỉnh liên tục được theo dõi từ nhiều trạm giám sát nằm xung quanh trái đất va thong tin quy dao 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 quy đạo này vào khoảng vài mét và do đó

cũng sẽ gây ra sai số khoảng vài mét khi tính tốn vị trí. Máy thu duy trì một

bảng niên 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. 1.6.1 Sai số do tầng điện ly

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 nhanh tín hiệu sóng mang.

Ảnh hưởng của tầng điện ly nếu không được khắc phục có thể gầy ra sai số phép đo lớn hơn 10m. Vài máy thu sử dụng mơ hình tốn học để tính tốn 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.

Hình 1.6: Sai số do tầng điện ly Trễ nhiễu tầng khí quyển:

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Khoa Điện tử - Viễn thông L6p:DHDT-K1

ị = N, ds

I: là số của electron trên một don vi

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 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 khơng 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.

1.6.2 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 mơ

hình tốn học để có thể tính tốn độ trễ gây ra bởi tầng này. 1.6.3. Nhiễu đa đường

Khi đo khoảng cách đến mỗi vệ tinh, ta giả sử rằng tín hiệu vệ tinh

được truyền thẳng từ vệ tỉnh đến anten của máy thu. Nhưng trong thực té

ngồi tín hiệu trực tiếp nay | anten may thu con 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.

Nếu đường truyền gián tiếp dài hơn đáng kể so với đường truyền trực

tiếp (lớn hơn 10m) để hai mẫu tín hiệu trên tách rời nhau thì ảnh hưởng gây ra bởi nhiễu đa đường về cơ bản có thể được khắc phục bởi các kỹ thuật xử lý tín hiệu.

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

2.1 Cấu trúc hệ thống GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là phần

không gian (space segment), phần điều khiển (control segment), phần người sử dung (user segment). Ching ta sé 1an luot tim hiéu cu thể về từng bộ phận cấu thành của hệ thống và chức năng của chúng.

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Khoa Điện tử - Viễn thông L6p:DHDT-K1

CONTROL SEGMENT USER SEGMENT

Hình 2.1: Các thành phần cấu tạo của hệ thống GPS 2.1.1 Phần khơng gian (Space Segment)

2.1.1.1 Chịm vệ tỉnh GPS

Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có đỘ cao đồng nhất 20200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 550, Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí

trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh.

Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và L2=1227.60 MHz. Loại sóng này phát trên cơ sở dãy sỐ tựa ngẫu nhiên bao gồm

các số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P sóng cịn

mang di mã C/A (Clear/Acdquisition) trong sóng L1. Mã C/A được phát với 2 tần số 10.23 MHz va 1.023 MHz. Ngoai 2 mã trên vỆ tỉnh còn phát mã phụ có tần số

50Hz chứa các thông tin về lịch vệ tỉnh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với đỘ chính xác cao.

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

Hình 2.1.1 Các quỹ đạo của vệ tỉnh trong hệ thống GPS

Các vệ tỉnh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" (Healthy) và "hoạt động không khoẻ (Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định do trạm điều khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh Ở

cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe". 2.1.1.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần sO 1575,42 MHz va tan sO 1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất

mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau.

Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acgquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ mội, được phát đi ở tần số ƒ0/10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới

cái tên là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một

khác, được phat di 6 tan s6 fo = 10,23 MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267

ngày. Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn

này có một đoạn khơng dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất, theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolie), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho nhỮng vệ tinh khác nhau. Bằng cách này P- code rất khó bị giái mã để sử dụng nếu không được phép. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P. Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P

thì được cơng bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra

mã Y thì giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì nhỮng người sử dụng GPS khơng có giấy phép (nói chung là nhỮng người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y).

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

Khoa Điện tử - Viễn thơng L6p:DHDT-K1

Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã (Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y. Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức. Nếu mã có trị sỐ -1 thì phase sóng mang đổi 1800, cịn nếu mã số có trị sỐ +1 thì phase sóng mang giỮ nguyên không thay đổi.

Cả hai sóng mang đều mang thông báo Vé tinh (Satellite message) can phat dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo

tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vé tinh. Các dữỮ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực.

2.1.2 Phần điều khiển (Control Segmen0

Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng

như hiệu chỉnh tín hiệu thơng tin của vệ tinh hệ thống GPS. Phan này bao gồm

8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia (Ấn ĐỘ Dương ), Ascension Islend (Đại Tây Dương ), Kwajalein (Tây Thái Bình Dương ) và Hawaii (Thái Bình Dương ); một trạm điều khiển trung tâm

(Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Siation). Lưới

trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường

đáy dai (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính tốn lại tọa độ của các vệ tinh theo s6 liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau tính toán các số liệu được gửi tỪ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tỉnh đều có một số liệu đã

được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu. 2.1.3 — Phần sử dụng (User Segment)

Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu tỪ vỆ tinh trên đất liền,

máy bay và tàu thủy.

Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tan s6 va may thu 2 tần số. Máy thu 1 tân số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần sỐ phát huy

tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với khoảng

cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tân số để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển trái đất. Tồn

bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước

elipsoid a=6378137.0mvà =1:29825722.

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

GPS NAVIGATION

Hinh 2.13 Phan thiét bi su’ dung dan duOng GPS

2.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng.

Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính:

- Phần cứng

- Phần mềm

- Phần triển khai công nghệ

Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tỬ , các bộ dao động tần sỐ vô

tuyến RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để

hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác.

Phần mềm bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể, chuyển đổi nhỮng thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường

đi hữu ích. NhỮng chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần

để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS.

Những chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp

và được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành. Ngoài ra trong phần

mềm còn bao gồm nhỮng chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS , có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của đỘ chính xác.

Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như:

cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mơ hình hố hiệu ứng cỦa anten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số

liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt

động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển

trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị.

2.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS.

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

Khoa Điện tử - Viễn thông L6p:DHDT-K1

Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại

chùm sóng rộng , vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như

các đĩa ăngten vệ tỉnh . Các ăngten này tương đối chắc chắn và có thể đặt trên ba chân hoặc lắp trên các phương tiện giao thơng, vi trí thực sự được xác định là trung tâm Phase của ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa.

Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết hợp số hóa và giải tích. Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng nhữỮng kỹ thuật xử lí tín hiệu khác nhau đôi chút, các phương pháp này là :

- Tương quan ma - Phase và tần số mã

- Cầu phương tín hiệu sóng mang

Phần tần số vô tuyến: bao gồm các kênh sử dụng một trong ba phương pháp nói trên để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng các kênh biến đổi trong khoảng từ 1 đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác nhau.

Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lí. Kíck thước và kiểu dáng của bộ điều khiển ở các loại máy thu khác nhau cũng khác nhau.

Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các trị

số quan trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tín hiệu thu

- Hai đồng hồ là chuẩn tần số dựa trên phát xạ Cacsium.

- Hai đồng hồ là chuẩn tần số dựa trên điều khiển khí Rubidium.

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Ngồi ra cịn có nhiều bộ dao động quart rất ổn định, 4 đồng hồ vừa hỗ trợ cho

nhau vừa giám sát lẫn nhau nhằm đưa ra độ chính xác nhất. Việc giám sát này

cũng được sử dụng để nhằm thỏa mãn các yêu cầu điều chỉnh đồng hồ trên các

vệ tỉnh block2. Các đồng hồ Rubidium có độ ổn định thấp hơn một chút so với

đồng hổ Casium, trong một khoảng thời gian dài với một tốc độ trôi dạt là: 10

12 s. Tất cả các đồng hồ của hệ thống GPS được đặt hoạt động ở tần số 10.23

MHz. Cac ma phat va sóng mang là một hàm tỷ lệ với tần số đồng hồ cơ sở này. Tuy nhiên các đồng hồ vẫn bị sai lệch do chuyển động, các đồng hồ không

thể tự điều chỉnh được, việc điều chỉnh đồng hồ do trạm trung tâm dưới mặt đất thực hiện. Các giá trị hiệu chỉnh được phát cho các vệ tinh, có trong nhỮng bản tin dỮ liệu (lịch vệ tỉnh ).

Giờ GPS có điểm gốc 0 của thời gian vào đêm 5/1/1980 và sáng ngày 6/1/1980. Trong một tuần có 604800s, giờ GPS lấy mốc là 1,5s , như vậy một

tuần theo giờ GPS sẽ có 403200 mốc. Mỗi mốc chia 1,5s là đơn vị thuận tiện cho việc tính tốn và liên lạc thời gian chính xác. Thời gian được công bố

theo cách thức này gọi là số đếm Z. Cấu trúc của số đếm Z. có 29 bit bao gồm 2 phần như sau:

- 19 bit trái cỦa Z là số đếm trong tuần (TOW-TIME of week ). Điểm

mốc 0 của tuần được đánh vào giỮa đêm thứ 7 và sáng chủ nhật. Phạm vi của số đếm là từ 0 đến 43199, mỗi mốc cách nhau 1.5s .

- 10 bit còn lại của số Z. là số đếm chỉ thị tuần hiện tại. Nó là một chuỗi

số nhị phân gồm 1024 sỐ, phạm vi từ 0-1023. Điểm mốc 0 của tuần là tuấn đầu tiên, bắt đầu từ đêm 5/1/1980 và sáng 6/1/1980. Khi số đếm tuần đến 1023 thì trở về 0 lại bắt đầu một chu kỳ tiếp theo.

2.2.2 Tần số GPS

Trong định vị vệ tinh Navstar-GPS, tần số GPS_ bao gồm các tần sỐ sau :

- Tần số đồng hồ cơ sở 10.23 MHz. - Tần số sóng mang.

Tần số chuỗi mã.

2.2.2.1 Tần số sóng mang GPS

Đây là tần số cực kỳ quan trọng, nó liên quan tới tín hiệu thực tế phát từ vệ tỉnh. Hệ thống Navstar có hai tần sO sóng mang chính là L1 và L2. L1 có tần số trung tâm là 1575.42 MHz gấp 154 lần tần số đồng hồ 10.23MHz

và L2 có tần sỐ trung tâm là 1227.66MHz gấp 120 lần tần số đồng hồ cơ sở. Các vệ tinh còn làm việc trên hai tần sỐ sóng mang khác nữa khi thu phát dữ liệu với trạm điều khiển dưới mặt đất: 1783.74 MHz phát lên và 1227.5 MHz phát xuống.

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

Khoa Điện tử - Viễn thông L6p:DHDT-K1 có tương ứng mội loại mã. Hệ thống GPS sử dụng 2 loại mã PRN chính là mã C/A và mã P. Mã C/A có độ bảo mật kém hơn mã P, hầu hết các máy thu đều

dùng mã C/A để bắt và đo cự ly tương đối. Mã C/A được phát ở tần số 10.23 MHz còn tần số của mã P là 10.23 MHz. Mã P thường dùng trong việc đo cự ly

xa chính xác cao và mã hóa các bức điện quân sự. Ngồi ra cịn sử dụng mã Y,

là mã xây dựng dựa trên mã p bằng cách mã hóa mã P và có cùng tần số với mã P.

2.3 Điều chế và giải điều chế GPS

2.3.1 Điều chế tín hiệu GPS

Các mã được điều biến trên song mang theo phương thức điều chế BPSK(2PSK).

- Tần số sóng mang L1 : 1.575,42 Mhz ( bang L ).

- Mức công suất tối thiểu : - 160 dBw tai bề mặt trái đất.

- Mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN C/A có tần số 1.203 Mhz, chu kỳ 1ms. - Sóng mang L1 được điều biến bằng cả hai mã ( mã C/A và P hoặc Y ). - Sóng mang L2 được điều biến bằng mã P hoặc mã Y.

- Các mã được điều biến trên sóng mang theo phương thức điều chế BPSK.

Điện văn vệ tinh dưới dạng dữ liệu số tốc độ 50b/s được cộng mô-đun 2

với mã C/A để điều chế trên sóng mang L1. Điện văn vệ tinh sẽ được các máy thu giải mã và dùng để xác định vị trí theo thời gian thực.

2.3.2 Giải điều chế PSK

Tín hiệu sóng mang GPS di đến 2 bộ nhân, 2 bộ nhân để thực hiện giải

điều chế. Lọc vòng: lọc điện áp từ ngỏ của bộ nhân để đưa vào điều chỉnh tần

số và pha của bộ dao dộng VCO. Bộ nhân thứ 3 mục đích để tìm kiếm sai pha

giỮa sóng mang 2PSK và sóng mang khôi phục. Kết quả sai pha sẽ thể hiện

</div>